Wikipedia

Litiumpolymerbatteri

Et litiumpolymerbatteri, eller mer korrekt litium-ion-polymerbatteri (forkortet LiPo, LIP, Li-poly, litium-poly og andre), er et oppladbart batteri av litium-ionteknologi som bruker en polymerelektrolytt i stedet for en flytende elektrolytt. Halvfast (gel) polymerer med høy ledningsevne danner denne elektrolytten. Disse batteriene gir høyere spesifikk energi enn andre litiumbatterityper og brukes i applikasjoner der vekt er en kritisk funksjon, for eksempel mobile enheter, radiostyrte fly og noen elektriske kjøretøyer.[1]

Litiumpolymerbatteri
Informasjon
NavnLitiumpolymerbatteri
Spesifikk energi100–265 W·t/kg(0.36–0.95 MJ/kg)
Energi tetthet250–730 W·t/L(0.90–2.63 MJ/L)

Historie rediger

LiPo-celler følger historien om litiumion- og litiummetallceller som gjennomgikk omfattende undersøkelser i løpet av 1980-tallet, og nådde en betydelig milepæl med Sonys første kommersielle sylindriske Li-ion-celle i 1991.[2][3] Etter det utviklet andre emballasjeformer seg, inkludert den knappbatteriet.

Design opprinnelse og terminologi rediger

Litiumpolymerceller har utviklet seg fra litiumion- og litiummetallbatterier. Den primære forskjellen er at i stedet for å bruke en flytende litiumsaltelektrolytt (for eksempel LiPF6) som holdes i et organisk løsningsmiddel (som EC/DMC/DEC), bruker batteriet en solid polymerelektrolytt (SPE), slik som polyetylenglykol(PEO), polymetylmetakrylat (PMMA) eller polyvinylidenfluorid (PVdF).

Den faste elektrolytten kan vanligvis klassifiseres som en av tre typer: tørr SPE, gelert SPE og porøs SPE. Det tørre SPE var den første som ble brukt i prototypebatterier, rundt 1978 av Michel Armand[4][5], og 1985 av ANVAR og Elf Aquitaine i Frankrike, og Hydro Quebec i Canada. [6][4] Fra 1990 utviklet flere organisasjoner som Mead og Valence i USA og GS Yuasa i Japan batterier ved bruk av gelerte SPE-er.[6] I 1996 kunngjorde Bellcore i USA en oppladbar litiumpolymercelle ved bruk av porøs SPE.[6]

En typisk celle har fire hovedkomponenter: positiv elektrode, negativ elektrode, separator og elektrolytt. Separatoren i seg selv kan være en polymer, slik som en mikroporøs film av polyetylen (PE) eller polypropylen (PP); således, selv når cellen har en flytende elektrolytt, vil den fremdeles inneholde en "polymer" komponent. I tillegg til dette kan den positive elektroden deles videre i tre deler: litiumovergangsmetalloksid (som LiCoO2 eller LiMn2O4), et ledende tilsetningsstoff og et polymerbindemiddel av polyvinylidenfluorid (PVdF).[7][8] Det negative elektrodematerialet kan ha de samme tre delene, bare med karbon som erstatter litiummetalloksid.[7][8]

Prinsipp rediger

Akkurat som med andre litiumionceller, fungerer LiPos på prinsippet om innkalkering og avkalking av litiumioner fra et positivt elektrodemateriale og et negativt elektrodemateriale, hvor væskeelektrolytten gir et ledende medium. For å forhindre at elektrodene berører hverandre direkte, er det en mikroporøs separator som bare tillater ionene og ikke elektrodepartiklene å migrere fra den ene siden til den andre.

Spenning og ladetilstand rediger

Spenningen til en enkelt LiPo-celle avhenger av kjemien og varierer fra ca. 4,2 V (fulladet) til ca. 2,7–3,0 V (helt utladet), der den nominelle spenningen er 3,6 eller 3,7 volt (omtrent midtverdien av høyeste og laveste verdi). For celler basert på litiummetalloksider (for eksempel LiCoO2); dette sammenlignes med 1,8–2,0 V (utladet) til 3,6–3,8 V (ladet) for de som er basert på litium-jern-fosfat (LiFePO4).

De nøyaktige spenningsklassifiseringene bør spesifiseres i produktdatabladene, med den forståelse at cellene skal beskyttes av en elektronisk krets som ikke tillater dem å overbelaste eller overutladning under bruk.

LiPo-batteripakker, med celler koblet i serie og parallelle, har separate pin-outs for hver celle. En spesiallader kan overvåke ladningen per celle, slik at alle celler blir brakt til samme ladetilstand (SOC).

Bruk av trykk på LiPo-celler rediger

 
Et eksperimentelt litiumionpolymerbatteri laget av Lockheed-Martin for NASA

I motsetning til litiumion-sylindriske og prismatiske celler, som har en stiv metallhylse, har LiPo-celler en fleksibel, folie-type (polymerlaminat) hylse, så de er relativt ubundet.

Å være lett er en fordel når applikasjonen krever minimumsvekt, som i tilfelle radiostyrte fly. Imidlertid er det fastslått at moderat trykk på lagstabelen som komponerer cellen resulterer i økt kapasitetsretensjon, fordi kontakten mellom komponentene maksimeres og delaminering og deformasjon forhindres, noe som er forbundet med økning av celleimpedans og nedbrytning.[9][10]

Sikkerhet rediger

 
Apple iPhone 3GS litiumionbatteri, som har utvidet seg på grunn av kortslutningsfeil.

LiPo-celler påvirkes av de samme problemene som andre litiumionceller. Dette betyr at overladning, overutladning, over temperatur, kortslutning, knusing og spikergjennomtrengning alle kan resultere i en katastrofal feil, inkludert posesprengning, elektrolyttlekkasje og brann.[11]

Alle Li-ion-celler ekspanderer ved høye nivåer av ladningstilstand (SOC) eller overladning på grunn av lett fordampning av elektrolytten. Dette kan resultere i delaminering, og dermed dårlig kontakt med de indre lagene i cellen, som igjen gir redusert pålitelighet og den totale sykluslevetiden til cellen.[9] Dette er veldig merkbart for LiPos, som synlig kan blåses opp på grunn av mangel på en hard hylse som inneholder ekspansjonen.

Referanser rediger

  1. ^ Scrosati, Bruno (2013). Lithium Batteries : Advanced Technologies and Applications. Hoboken: Wiley. s. 44. ISBN 978-1-118-61539-3. OCLC 852757359. 
  2. ^ «The 25th Anniversary of the Lithium-ion Battery». Kyria (engelsk). 4. november 2016. Besøkt 24. februar 2021. 
  3. ^ «Sony Global - Press Release - Announcement of New Lithium Ion Batteries, Realizing Industry's Highest Level of Energy Density - High-power output cylindrical lithium ion battery fit for high-power supply also announced -». www.sony.net. Besøkt 24. februar 2021. 
  4. ^ «Extended Abstracts». Second International Meeting on Solid Electrolytes. St. Andrews, Scotland. 20.–22. september 1978. 
  5. ^ «Poly-ethers as solid electrolytes». Fast ion Transport in Solids. Electrodes and Electrolytes. North Holland Publishers, Amsterdam. 1979. 
  6. ^ a b c Murata, Kazuo; Izuchi, Shuichi; Yoshihisa, Youetsu (3.01.2000). «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries». Electrochimica Acta. 45 (8–9): 1501–1508. doi:10.1016/S0013-4686(99)00365-5. 
  7. ^ a b Lithium ion rechargeable batteries. Weinheim: Wiley-VCH. 2009. ISBN 978-3-527-62902-2. OCLC 521036882. 
  8. ^ a b Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya, red. (2009). Lithium-Ion Batteries (engelsk). New York, NY: Springer New York. ISBN 978-0-387-34444-7. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. 
  9. ^ a b Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, M.R.; Veit, C. (2005). Ageing mechanisms in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. s. 269–281. Bibcode:2005JPS...147..269V. doi:10.1016/j.jpowsour.2005.01.006. 
  10. ^ Cannarella, John; Arnold, Craig B. (Januar 2014). «Stress evolution and capacity fade in constrained lithium-ion pouch cells». Journal of Power Sources (engelsk). 245: 745–751. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.06.165. Besøkt 24. februar 2021. 
  11. ^ «FAA Battery Incident Chart» (PDF) (pressemelding). 11.12.2007. Arkivert fra originalen (PDF) 19. januar 2017. Besøkt 24. februar 2021. «includes incidents of Lithium-Polymer-Air ignition after puncturing.» 
Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Litiumpolymerbatteri&oldid=23090680»