Baterie litiu-polimer

Tipul de baterie reîncărcabilă cunoscut sub numele de acumulator litiu-polimer , sau mai rar baterii litiu-ion-polimer (prescurtat Li-Poly sau, mai frecvent, LiPo) este o dezvoltare tehnologică a acumulatorului litiu-ion .

Principala caracteristică care îi diferențiază este că electrolitul de sare de litiu nu este conținut într-un solvent organic, ca în popularul design litiu-ion, ci se găsește într-un compozit polimeric solid, cum ar fi poliacrilonitrilul . Există multe avantaje la acest tip de construcție care îl fac superior designului clasic litiu-ion, inclusiv faptul că polimerul solid nu este inflamabil (spre deosebire de solventul organic utilizat în celulele Li-Ion).

Introducere

Celulele care sunt vândute astăzi ca baterii litiu-ion-polimer au o schemă diferită de vechile celule litiu-ion. Spre deosebire de celulele litiu-ion, care erau conținute în mici containere metalice rigide cilindrice sau prismatice (fagure de miere), celulele polimerice de astăzi au o structură flexibilă, adesea pliabilă (laminat polimeric), și conțin în continuare un solvent organic. Diferența majoră dintre celulele polimerice și celulele litiu-ion de pe piață este că în aceasta din urmă, recipientul rigid presează reciproc electrozii și separatorul, în timp ce în cele polimerice această presiune externă nu este necesară deoarece electrodul „folie” și "foi" separatoare ( dielectrice ) sunt laminate unele pe altele.

Istorie

Bateriile litiu-ion polimerice au apărut în comerțul cu produse electronice de consum abia în 1996 . Anterior erau o invenție sovietică sub secret militar, dar și în posesia complexului industrial militar american . Tehnologia a fost pusă la dispoziția industriei de consum doar la câțiva ani după căderea Zidului Berlinului .

Beneficii

Întrucât nu este necesar niciun tip de recipient metalic, bateria poate fi mai ușoară și modelată pentru a ocupa spațiul rezervat acestuia în dispozitivul care urmează să fie alimentat. Deoarece au ambalaje mai dense, fără spații între celulele cilindrice și niciun recipient, densitatea energetică a bateriilor Li-Poly este cu peste 20% mai mare decât un clasic litiu-ion și este de aproximativ trei ori mai bună decât bateriile NiCd și NiMH .

Tensiunea celulelor Li-Poly variază de la aproximativ 2,7 V (descărcat) la aproximativ 4,23 V (complet încărcat), iar bateriile Li-Poly trebuie protejate împotriva supraîncărcării prin limitarea tensiunii aplicate la cel mult 4,235 V pentru fiecare celulă utilizată în o combinație a acestora în serie. În timpul descărcării din cauza unei sarcini de lucru, aceasta trebuie îndepărtată și reîncărcată cât mai curând posibil atunci când tensiunea scade sub aproximativ 3,0 V pe celulă (atunci când este utilizată într-o combinație de serie), în caz contrar bateria nu va mai putea fi încărcată pe termen lung .

În prima fază a dezvoltării, tehnologia litiu-polimer a avut probleme datorită rezistenței interne.

O altă provocare include un timp de încărcare mai scurt și un curent de descărcare mai mare comparativ cu tehnologiile deja mature. Bateriile Li-Po durează de obicei peste o oră pentru a se reîncărca complet. Unele îmbunătățiri recente ale designului au crescut curentul maxim de descărcare de la două la 15 sau chiar de 20 de ori capacitatea celulei (curentul de descărcare în amperi , capacitatea celulei în Ampereora „Ah”). În martie 2005, Toshiba a prezentat un nou design care oferă un raport de încărcare mult mai rapid (aproximativ 1-3 minute). Aceste baterii nu au ajuns încă pe piață, dar se așteaptă să aibă un efect perturbator asupra produselor electrice și electronice, în special pentru mașinile electrice , electronice de larg consum și, în special, pentru modelele de elicopter, modelele de avioane și modelele de mașini. De la sfârșitul anului 2009, unele playere mp3 au fost pe piață și durează doar 3 minute pentru a se reîncărca.

Argumente pro şi contra

În comparație cu bateriile Li-ion, bateriile Li-Poly au o rată de degradare mai mare pe parcursul ciclului de viață. Cu toate acestea, recent, producătorii au susținut că au atins un număr de 500 de cicluri de încărcare / descărcare înainte ca capacitatea să fie redusă la 80% din cea inițială. O altă variantă a bateriilor cu litiu-polimer este „bateria cu litiu subțire reîncărcabilă” care a făcut posibilă mai mult de 10 000 de cicluri de încărcare și descărcare.

Unul dintre marile avantaje ale tehnologiei Li-Poly este că producătorii pot modela forma bateriilor atât cât și cât doresc: acest lucru poate fi important pentru producătorii de telefoane mobile , care lucrează în mod constant la telefoane cu inginerie și plasare de componente diferite. , precum și problemele tot mai mari de disipare a căldurii datorate timpilor mai scurți de reîncărcare a bateriilor. Un alt avantaj al bateriilor cu polimer de litiu față de bateriile Ni-Cd (nichel-cadmiu) și NiMH (hidrură de nichel-metal) este că curentul fără încărcare (auto-descărcare) este mult mai mic.

Unul dintre principalele defecte ale tehnologiei este necesitatea de a folosi încărcătoare specifice, pentru a evita incendii și explozii. Bateria poate exploda dacă este scurtcircuitată, datorită rezistenței interne foarte scăzute și a curentului de impuls care curge prin celulă. În plus, o celulă Li-Poly se poate aprinde cu ușurință dacă este perforată, astfel încât bateriile sunt, în diferite aplicații, acoperite cu o carcasă din plastic care ar trebui să prevină perforarea. În aplicații specifice (de exemplu, mașini cu control radio), în plus, sunt necesare comenzi electronice ale cuplului pentru motoarele electrice conectate la celulă, pentru a conține curenții de descărcare și, în consecință, deteriorarea bateriei.

O problemă cu bateriile pe bază de litiu este furnizarea de materii prime: litiul este disponibil în natură în cantități limitate și necesită procese de extracție deosebit de complicate și costisitoare; piața este în mâinile câtorva producători, FMC și CHEMETALL.

Aplicații

Bateriile litiu-polimer au câștigat popularitate în lumea modelelor, unde avantajul dublu al greutății reduse și al timpului de lucru crescut poate justifica suficient prețul.

Tehnologia Li-Poly câștigă teren și în handheld , laptopuri și console portabile, unde factorul de formă redus și densitatea crescută a energiei prevalează asupra costurilor produsului.

Aceste baterii vor putea alimenta și următoarea generație de mașini electrice. Costul unei astfel de mașini electrice nu mai funcționează în prezent, dar susținătorii spun că pe măsură ce producția crește, costul va scădea inevitabil.

Bateriile cu litiu sunt, de asemenea, adesea utilizate în aproape toate domeniile modelării dinamice. Utilizarea acestor acumulatori în airsoft este, de asemenea, din ce în ce mai răspândită.

Tehnologie

În prezent, există două tehnologii pe piață. Ambele sunt Li-Ion-Poly (unde Poly înseamnă „Polimer electrolit / separator”). Se numesc „Baterii electrolitice cu polimer”.

Baterie litiu-polimer deteriorată, este posibil să observați umflarea localizată la marginea laterală inferioară (în comparație cu scrierile)

Ideea este de a utiliza un polimer permeabil la ioni în loc de combinația tradițională a unui separator microporos și a unui electrolit lichid. Acest lucru promite nu numai o siguranță mai bună, deoarece electrolitul polimerizat nu arde ușor, ci și posibilitatea de a produce baterii foarte subțiri, deoarece acestea nu vor necesita presiune aplicată pe „sandvișul” catod-anod. Electrolitul întărit va asigura etanșarea ambilor electrozi, cum ar fi adezivul.

Proiectarea este: anod (Li sau carbon-Li) / separator electrolitic polimer / catod (LiCoO ₂ sau LiMn ₂ O ₄ )

Reacție tipică :

Anod : carbon-Li ( x ) - x Li + - x și ^-
Separator: conductie Li +
Catod : Li (1- x ) CoO ₂ + x Li + + x și ^-

Polimerul electrolit / separator poate fi de fapt un polimer solid ( polietilenoxid , PEO) + LiPF ₆ sau alte săruri conductoare + SiO ₂ sau alte materiale de umplutură cu caracteristici mecanice mai bune (aceste sisteme nu sunt încă disponibile pe piață). Unii iau în considerare utilizarea litiului metalic ca anod, în timp ce alții preferă să utilizeze anodul de intercalare a carbonului mai sigur.

Ambele tehnologii utilizează gel fabricat din PVdF (un polimer) cu solvenți și săruri convenționale, cum ar fi EC / DMC / DEC etc. Diferența dintre cele două tehnologii este că una (tehnologia Bellcore / Telcordia) folosește LiMn ₂ O ₄ ca catod și cealaltă, mai convențională, LiCoO ₂ .

Alte baterii Li-poli, mai „exotice” (însă nu sunt încă disponibile în comerț) utilizează un catod polimerizat. De exemplu, Moltech dezvoltă o baterie cu un catod conductiv din plastic.

O altă propunere este aceea de a utiliza compuși organici de sulf pentru catod în combinație cu un polimer conductiv, cum ar fi polianilina. Această abordare promite o capacitate mai mare de putere (rezistență internă mai mică) și o capacitate de descărcare mai mare, dar are în prezent probleme cu numărul de cicluri și costul de fabricație.