Введение

Литий-ионный аккумулятор с полимерным электролитом.

История

Литий-полимерные элементы питания развивались вслед за литий-ионными и литий-металлическими элементами, которые интенсивно исследовались в 1980-х годах и достигли важной вехи с выпуском Sony в 1991 году первой коммерческой цилиндрической литий-ионной ячейки. После этого появились другие варианты корпуса, включая плоский пакетный формат.

Проектирование и терминология

Литий-полимерные элементы произошли от литий-ионных и литий-металлических аккумуляторов. Основное отличие заключается в том, что вместо использования жидкого электролита на основе литиевой соли (например, литий гексафторфосфата, LiPF6), растворенного в органическом растворителе (например, EC/DMC/DEC), в батарее используется твердый полимерный электролит (SPE), такой как полиэтиленгликоль (PEG), полиакрилонитрил (PAN), полиметилметакрилат (PMMA) или поливинилиденфторид (PVdF). В 1970-х годах первоначальная полимерная конструкция использовала твердый сухой полимерный электролит, напоминающий пластиковую пленку, заменяя традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Твердый электролит обычно классифицируется как один из трех типов: сухой SPE, гелированный SPE и пористый SPE. Сухой SPE впервые был использован в прототипах аккумуляторов около 1978 года Мишелем Армандом, а в 1985 году компаниями ANVAR и Elf Aquitaine (Франция) и Hydro Québec (Канада). Начиная с 1990 года, такие организации, как Mead и Valence (США) и GS Yuasa (Япония), разработали аккумуляторы с использованием гелированных SPE. Главное различие между литий-ионными полимерными элементами и литий-ионными элементами заключается в физическом состоянии электролита: LiPo-элементы используют сухие твердые или гелеобразные электролиты, в то время как литий-ионные элементы используют жидкие электролиты.

Принцип работы

Как и другие литий-ионные аккумуляторы, LiPos работают по принципу внедрения и извлечения ионов лития из материала положительного электрода и материала отрицательного электрода, при этом жидкий электролит служит проводящей средой. Чтобы предотвратить прямой контакт электродов, между ними располагается микропористый сепаратор, который пропускает только ионы, но не частицы электродов.

Напряжение и состояние заряда

Напряжение одной LiPo-ячейки зависит от ее химического состава и варьируется примерно от 4,2 В (полностью заряженная) до 2,7–3,0 В (полностью разряженная), при этом номинальное напряжение составляет 3,6 или 3,7 вольт (приблизительно среднее значение между максимальным и минимальным значениями) для ячеек на основе литиевых металлоксидов (например, LiCoO2). Для ячеек на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4) эти значения составляют 3,6–3,8 В (заряженная) до 1,8–2,0 В (разряженная). Точные характеристики напряжения должны быть указаны в технической документации на продукт, с пониманием того, что ячейки должны быть защищены электронной схемой, предотвращающей их перезаряд и глубокий разряд во время использования. LiPo-аккумуляторные сборки, состоящие из последовательно и параллельно соединенных ячеек, имеют отдельные выводы для каждой ячейки. Специализированное зарядное устройство может контролировать заряд каждой ячейки в отдельности, чтобы привести все ячейки к одинаковому состоянию заряда (SOC).

Применение давления на литий-полимерные элементы

В отличие от цилиндрических и призматических литий-ионных элементов, которые имеют жесткий металлический корпус, LiPo-элементы имеют гибкий корпус в виде фольги (полимерного ламината), поэтому они относительно не скованы. Умеренное давление на пакет слоев, составляющих элемент, приводит к повышению сохранения емкости, поскольку максимизируется контакт между компонентами и предотвращается расслоение и деформация, что связано с увеличением внутреннего сопротивления и деградацией элемента.

Приложения

LiPo-элементы предоставляют производителям значительные преимущества. Они позволяют легко изготавливать аккумуляторы практически любой необходимой формы. Например, можно удовлетворить требования к габаритам и весу мобильных устройств и ноутбуков. Кроме того, они обладают низким саморазрядом, составляющим около 5% в месяц.

Беспилотники, радиоуправляемое оборудование и воздушные суда

Литий-полимерные аккумуляторы сейчас практически повсеместно используются для питания коммерческих и любительских дронов (беспилотных летательных аппаратов), радиоуправляемых самолетов, радиоуправляемых автомобилей и масштабных моделей поездов, где преимущества меньшего веса, повышенной емкости и мощности оправдывают их стоимость. Отчеты об испытаниях предупреждают о риске возгорания при использовании аккумуляторов не по назначению. Для длительного хранения литий-полимерного аккумулятора, используемого в радиоуправляемой модели, напряжение на ячейку должно быть в диапазоне 3,6–3,9 В, иначе это может привести к повреждению аккумулятора. Литий-полимерные аккумуляторы также широко применяются в страйкболе, где их более высокие токи разряда и лучшая энергоемкость по сравнению с традиционными NiMH аккумуляторами обеспечивают заметное повышение производительности (увеличение скорострельности).

Персональная электроника

Литий-полимерные аккумуляторы широко распространены в мобильных устройствах, портативных зарядных устройствах, очень тонких ноутбуках, портативных медиаплеерах, беспроводных контроллерах для игровых консолей, беспроводных компьютерных периферийных устройствах, электронных сигаретах и других областях применения, где важны компактные размеры и высокая энергоемкость важнее стоимости.

Электрические транспортные средства

Hyundai Motor Company использует этот тип батареи в некоторых из своих электромобилей и гибридных автомобилей, а также Kia Motors в их электромобиле Kia Soul. Автомобиль Bolloré Bluecar, используемый в сервисах каршеринга в нескольких городах, также работает на этом типе батарей.

Системы бесперебойного электроснабжения

Литий-ионные аккумуляторы становятся все более распространенными в системах бесперебойного питания (UPS). Они предлагают множество преимуществ по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами (VRLA), а благодаря улучшениям в стабильности и безопасности растет доверие к этой технологии. Высокое отношение мощности к размеру и весу считается важным преимуществом во многих отраслях, где требуется резервное питание, в том числе в центрах обработки данных, где пространство часто ограничено. Более длительный срок службы, полезная емкость (глубина разряда) и предотвращение теплового разгона также рассматриваются как преимущества использования литий-полимерных аккумуляторов (Li-po) по сравнению с аккумуляторами VRLA.

Стартер для прыжков

Аккумулятор, используемый для запуска двигателя транспортного средства, обычно имеет напряжение 12 или 24 В, поэтому портативный пускозарядный модуль или бустер использует три или шесть LiPo-аккумуляторов, соединенных последовательно (3S1P/6S1P), для запуска транспортного средства в экстренной ситуации, в отличие от других способов запуска. Пускозарядные устройства на свинцово-кислотных аккумуляторах дешевле, но они крупнее и тяжелее, чем сопоставимые литиевые аккумуляторы, поэтому большинство таких устройств переходят на LiPo-аккумуляторы или, иногда, на литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Безопасность

Все литий-ионные элементы расширяются при высоких уровнях заряда (SOC) или при перезаряде из-за незначительного испарения электролита. Это может привести к расслоению и, как следствие, к ухудшению контакта внутренних слоев элемента, что, в свою очередь, снижает надежность и общий срок службы элемента. По сравнению с жидкими и твердыми органическими электролитами, полимерные электролиты обладают такими преимуществами, как повышенная устойчивость к изменениям объема электродов в процессе заряда и разряда, улучшенные характеристики безопасности, отличная гибкость и технологичность. Твердый полимерный электролит изначально определялся как полимерная матрица, насыщенная солями лития, что теперь называется сухим твердым полимерным электролитом. Механизм проводимости аналогичен для жидких электролитов и полимерных гелей, но твердые полимерные электролиты (ГПЭ) обладают более высокой термической стабильностью и низкой летучестью, что также повышает безопасность.

Литийные элементы с твердым полимерным электролитом

Клетки с твердыми полимерными электролитами не достигли полной коммерциализации и остаются предметом исследований. Прототипные элементы этого типа можно рассматривать как нечто среднее между традиционной литий-ионной батареей (с жидким электролитом) и полностью пластичной, твердотельной литий-ионной батареей. В то время полимерные батареи казались многообещающими, и предполагалось, что полимерные электролиты станут незаменимыми. В конечном итоге, этот тип ячеек вышел на рынок в 1998 году. Несмотря на то, что эти полимерные электролиты могут быть сухими на ощупь, они все еще могут содержать от 30% до 50% жидкого растворителя. В связи с этим, вопрос о том, как правильно определить, что такое "полимерная батарея", остается открытым. В литературе для описания этой системы также используются термины "гибридный полимерный электролит" (HPE), где "гибридный" указывает на комбинацию полимерной матрицы, жидкого растворителя и соли. Именно такую систему Bellcore использовала для разработки ранней литий-полимерной ячейки в 1996 году, которая получила название "пластиковая" литий-ионная ячейка (PLiON) и впоследствии была коммерциализирована в 1999 году. К числу полимеров, используемых в качестве матрицы, относятся поли(триметиленкарбонат) с высокой молекулярной массой (PTMC), полипропиленоксид (PPO), поли[бис(метоксиэтоксиэтокси)фосфазен] (MEEP) и другие. PEO демонстрирует наиболее перспективные характеристики в качестве твердого растворителя для солей лития, главным образом благодаря своим гибким сегментам оксида этилена и другим атомам кислорода, обладающим сильным донорным характером и легко сольватирующим катионы Li+. PEO также коммерчески доступен по очень разумной цене.