Кіріспе
Полимерлік электролит қолданылатын литий-ионды аккумулятор.
Тарих
Литий полимерлік жасушалар литий иондық және литий металдық жасушалардың тарихын жалғастырады, олар 1980-ші жылдары жан-жақты зерттеулерден өтті, ал 1991 жылы Sony компаниясының алғашқы коммерциялық цилиндрлі литий иондық жасушасымен маңызды табысқа жетті. Одан кейін, жазық қапшақ форматы сияқты, басқа да қаптама түрлері пайда болды.
Дизайнның шығу тегі және терминологиясы
Литий полимерлі элементтер литий ионды және литий металл аккумуляторларынан дамыды. Басты айырмашылық – аккумулятор органикалық еріткіште (мысалы, EC/DMC/DEC) сақталған сұйық литий тұзы электролитін (литий гексафторфосфаты, LiPF6) пайдаланудың орнына, полиэтилен гликоль (PEG), полиакрилонитрил (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) немесе поливинилиден фториді (PVdF) сияқты қатты полимерлік электролитті (SPE) қолданады. 1970 жылдары алғашқы полимерлік конструкцияда электролитке сіңген дәстүрлі кеуекті сепараторды алмастыратын, пластик тәрізді пленкаға ұқсас қатты құрғақ полимерлік электролит қолданылды. Қатты электролит әдетте үш түрге жіктеледі: құрғақ SPE, гельді SPE және кеуекті SPE. Құрғақ SPE алғаш рет 1978 жылы Мишель Арман, ал 1985 жылы ANVAR және Elf Aquitaine (Франция) мен Hydro Québec (Канада) компаниялары прототиптік аккумуляторларда қолданды. 1990 жылдан бастап АҚШ-тағы Mead және Valence, сондай-ақ Жапониядағы GS Yuasa сияқты бірнеше ұйымдар гельді SPE қолдана отырып аккумуляторлар жасады. Литий ионды полимерлік элементтер мен литий ионды элементтердің басты айырмашылығы – электролиттің физикалық күйі: LiPo элементтері құрғақ қатты немесе гель тәрізді электролиттерді пайдаланса, Li-ion элементтері сұйық электролиттерді қолданады.
Жұмыс принципі
Литий-ионды басқа жасушалар сияқты, LiPos та литий иондарының оң электрод материалынан және теріс электрод материалынан интеркалация және деинтеркалация принципі бойынша жұмыс істейді, ал сұйық электролит өткізгіш орта ретінде қызмет етеді. Электродтардың тікелей жанасуын болдырмау үшін, олардың арасында микропорозды бөлгіш орналастырылған, ол электрод бөлшектері емес, тек иондардың ғана бір жағынан екінші жағына өтуіне мүмкіндік береді.
Кернеу және зарядталу жағдайы
Бір LiPo элементінің кернеуі оның химиялық құрамына байланысты және шамамен 4,2 В (толық зарядталған күйде) шамамен 2,7–3,0 В (толық зарядталмаған күйде) аралығында өзгереді. Литий металл оксидтеріне (мысалы, LiCoO2) негіделген элементтер үшін номиналды кернеу 3,6 немесе 3,7 вольтты құрайды (ең жоғары және ең төменгі мәндердің орташасы). Ал литий темір фосфаты (LiFePO4) негізіндегі элементтер үшін бұл көрсеткіш 3,6–3,8 В (зарядталған күйде) және 1,8–2,0 В (зарядталмаған күйде) болып келеді. Нақты кернеу көрсеткіштері өнімнің техникалық сипаттамаларында көрсетілуі керек, сонымен қатар элементтерді пайдалану барысында оларды артық зарядтаудан немесе толық разрядтаудан қорғайтын электрондық схемамен жабдықтау қажет. LiPo аккумуляторларындағы элементтер тізбектей және параллель қосылғандықтан, әрбір элемент үшін жеке-жеке қосылымдар (пин-ауттар) қарастырылған. Арнайы зарядтағыш әрбір элементтің заряд деңгейін жеке бақылап, барлық элементтердің зарядталу деңгейін (SOC) бірдей етуге мүмкіндік береді.
Литий полимерлі элементтерге қысым жасау
Литий ионды цилиндрлік және призмалық жасушалардан айырмашылығы, металл корпусы қатты болатын, LiPo жасушалары икемді, фольга тәрізді (полимерлік ламинаттан) жасалған корпусымен келеді, сондықтан олар салыстырмалы түрде еркін. Жасушаны құрайтын қабаттарға орташа қысым түсіргенде, сыйымдылықты сақтау артады, себебі компоненттер арасындағы байланыс максималды болады және жасушаның кедергісінің және тозуының себебі болатын қабаттану мен деформацияның алдын алады.
Қолданбалар
LiPo элементтері өндірушілерге маңызды артықшылықтар ұсынады. Олар тікелей кез келген қажетті пішінде аккумулятор жасауға мүмкіндік береді. Мысалы, мобильді құрылғылар мен ноутбуктердің көлем және салмақ талаптарын орындауға болады. Сондай-ақ, олардың өзін-өзі разрядтау жылдамдығы төмен, шамамен айына 5%.
Ұшқыштар, радиобақылау құралдары және әуе кемелері
LiPo аккумуляторлары коммерциялық және хобби дрондарына (пилотсыз әуе кемелері), радиобасқарылатын ұшақтарға, радиобасқарылатын көліктерге және үлкен масштабтағы модельдік пойызға қуат беру үшін кеңінен қолданылады. Олардың жеңіл салмағы, жоғары сыйымдылығы және қуат беру мүмкіндігі бағасын ақтайды. Сынақ есептерінде аккумуляторлар нұсқауларға сәйкес пайдаланбаған жағдайда өрт қаупі туралы ескертіледі. R/C модельдерінде қолданылатын LiPo аккумуляторларын ұзақ сақтау үшін әр элементке 3,6~3,9 В кернеуді ұстау қажет, әйтпесе аккумулятор зақымдануы мүмкін. LiPo аккумуляторлары эйрсофт спортында да кеңінен қолданылады, себебі олардың NiMH аккумуляторларымен салыстырғанда жоғары разряд тогы және энергия тығыздығы бар, бұл айқын өнімділік артықшылығын (оқ ату жылдамдығының жоғарылауын) қамтамасыз етеді.
Жеке электронды құрылғылар
LiPo батареялары ұялы құрылғылар, қуат банктері, өте жұқа ноутбуктер, портативті медиа плеерлер, бейне ойын консольдеріне арналған сымсыз контроллерлер, сымсыз компьютер жинақтары, электрондық темекілер және кішкентай өлшемдері маңызды болып, энергия тығыздығы құнынан басым түсетін басқа да қолдануларда кеңінен таралған.
Электрлік көліктер
Hyundai Motor Company компаниясы осы типтегі аккумуляторды өздерінің аккумуляторлық электр және гибридтік көліктерінің кейбіреулерінде, ал Kia Motors – аккумуляторлық электр Kia Soul көлігінде пайдаланады. Сонымен қатар, бірнеше қалада автокөлік бөлісу жүйелерінде қолданылатын Bolloré Bluecar да осы типтегі аккумуляторды қолданады.
Тоқтатылмас электрмен жабдықтау жүйелері
Литий-ионды аккумуляторлар үздіксіз қуат көзі (UPS) жүйелерінде жиі қолданыла бастады. Олар дәстүрлі VRLA аккумуляторларына қарағанда көптеген артықшылықтар ұсынады, ал тұрақтылығы мен қауіпсіздігінің артуы осы технологияға сенімділікті арттыруда. Олардың қуаттылығына шаққандағы өлшем және салмақ арақатынасы, кеңістік тапшы болатын дерек орталықтары сияқты, үздіксіз қуат резерві қажетті салаларда маңызды артықшылық болып есептеледі. Ұзақ қызмет мерзімі, пайдалы энергия (разряд тереңдігі) және жылулық қашу да Li-po аккумуляторларын VRLA аккумуляторларынан басымдық беруге мүмкіндік береді.
Жүгіруді бастау
Көлік қозғалтқышын іске қосу үшін қолданылатын батарея әдетте 12В немесе 24В болады, сондықтан портативті секіргіш стартер немесе батареяны қуаттандырғыш, басқа секіргіш әдістердің орнына, төтенше жағдайда көлікті іске қосу үшін үш немесе алты LiPo батареясын тізбектей (3S1P/6S1P) қосып пайдаланады. Қорғасын қышқылды секіргіш стартерлердің бағасы арзан, бірақ олар бірдей литий батареяларына қарағанда үлкен және ауыр, сондықтан бұл өнімдер көбінесе LiPo батареяларына немесе кейде литий темір фосфат батареяларына көшіп отыр.
Қауіпсіздік
Барлық литий-иондық жасушалар электролиттің шамалы булануына байланысты жоғары заряд күйінде (SOC) немесе артық зарядталғанда кеңейеді. Бұл жасушаның ішкі қабаттарының қабыршақтануына (деләминациясына) әкелуі мүмкін, соның салдарынан ішкі қабаттардың байланысы нашарлап, жасушаның сенімділігі мен жалпы циклдық қызмет ету мерзімі төмендейді. Сұйық электролиттермен және қатты органикалық электролиттермен салыстырғанда, полимерлік электролиттер электродтардың көлеміндегі өзгерістерге төзімділікті арттыру, қауіпсіздік мүмкіндіктерін жақсарту, сондай-ақ өте икемділігімен және өңдеуге оңай болуымен ерекшеленеді. Қатты полимерлік электролит бастапқыда литий тұздарымен қаныққан полимерлік матрица ретінде анықталған, бірақ қазір құрғақ қатты полимерлік электролит деп аталады. Кондукция механизмі сұйық электролиттер мен полимерлік гельдерге ұқсас, бірақ полимерлік гель электролиттер (ГПЭ) жоғары термиялық тұрақтылыққа және төмен ұшпалылыққа ие, бұл қауіпсіздікті одан әрі арттырады.
Қатты полимерлік электролитті литий элементтері
Қатты полимерлік электролиттермен жабдықталған жасушалар толыққанды коммерцияланбаған және әлі де зерттеу нысаны болып табылады. Осы типтегі прототиптік жасушаларды дәстүрлі литий-иондық аккумуляторымен (сұйық электролитпен) және толық пластикалық, қатты күйдегі литий-иондық аккумуляторының арасында қарастыруға болады. Сол кезде полимерлік аккумуляторлар үміттендірген болатын және полимерлік электролиттердің қажеттілікке айналатыны көрінді. Ақырында, осы типтегі жасуша 1998 жылы нарыққа шықты. Бұл полимерлік электролиттер қолға тигенде құрғақ сезілсе де, олардың құрамында 30%-дан 50%-ға дейін сұйық еріткіш болуы мүмкін. Осы тұрғыда, "полимерлік аккумулятор" дегенді қалай анықтау керектігі ашық мәселе болып қалады. Бұл жүйе үшін әдебиетте қолданылатын басқа терминдерге гибридтік полимерлік электролит (HPE) жатады, мұнда "гибридтік" полимерлік матрицаның, сұйық еріткіштің және тұздың үйлесімін білдіреді. Bellcore компаниясы осы сияқты жүйені 1996 жылы литий-полимерлік жасушаны жасау үшін пайдаланды, ол "пластик" литий-иондық жасуша (PLiON) деп аталды және кейін 1999 жылы коммерцияландырылды. Жоғары молекулалық салмақты поли(триметиленкарбонат) (PTMC), полипропилен оксиді (PPO), поли[бис(метоксиэтоксиэтокси)фосфазен] (MEEP) және т.б. PEO литий тұздары үшін ең жақсы еріткіш ретінде өте жақсы нәтижелер көрсетеді, себебі оның икемді этилен оксид сегменттері мен күшті донорлық қасиеттері бар басқа да оттегі атомдары Li+ катиондарын оңай ерітеді. PEO коммерциялық нарықта да өте қолжетімді бағамен қолды.