Lithium-Polymer-Batterie - Lithium polymer battery
 Ein Lithium-Ionen-Polymer-Akku zur Stromversorgung eines Smartphones
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| Spezifische Energie | 100–265 B · h / kg (0,36–0,95 MJ / kg) |
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| Energiedichte | 250–730 W · h / L (0,90–2,63 MJ / L) |
Eine Lithium - Polymer - Batterie , oder richtiger Lithium-Ionen - Polymer - Batterie (abgekürzt als Lipo , LIP , Li-Poly , Lithium-Poly und andere), ist eine wiederaufladbare Batterie von Lithium-Ionen - Technologie unter Verwendung eines Polymerelektrolyten anstelle eines flüssigen Elektrolyten. Halbfeste ( Gel- ) Polymere mit hoher Leitfähigkeit bilden diesen Elektrolyten. Diese Batterien liefern eine höhere spezifische Energie als andere Lithiumbatterietypen und werden in Anwendungen verwendet, bei denen das Gewicht ein kritisches Merkmal ist, wie z. B. mobile Geräte und ferngesteuerte Flugzeuge .
Geschichte
LiPo-Zellen folgen der Geschichte der Lithium-Ionen- und Lithium-Metall- Zellen, die in den 1980er Jahren umfangreichen Forschungen unterzogen wurden und 1991 mit der ersten kommerziellen zylindrischen Li-Ionen-Zelle von Sony einen bedeutenden Meilenstein erreichten . Danach entwickelten sich andere Verpackungsformen, darunter die flaches Beutelformat.
Designherkunft und Terminologie
Lithium-Polymer-Zellen haben sich aus Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien entwickelt . Der Hauptunterschied besteht darin, dass anstelle eines flüssigen Lithium- Salz- Elektrolyten (wie LiPF 6 ), der in einem organischen Lösungsmittel (wie EC / DMC / DEC ) gehalten wird, die Batterie einen festen Polymerelektrolyten (SPE) wie Poly (ethylen) verwendet Oxid) (PEO), Poly (acrylnitril) (PAN), Poly (methylmethacrylat) (PMMA) oder Poly (vinylidenfluorid) (PVdF).
Der Festelektrolyt kann typischerweise als einer von drei Typen klassifiziert werden: trockener SPE, gelierter SPE und poröser SPE. Die trockene SPE war die erste, die um 1978 von Michel Armand und 1985 von ANVAR und Elf Aquitaine aus Frankreich sowie Hydro Quebec aus Kanada in Prototypenbatterien verwendet wurde . Ab 1990 entwickelten mehrere Organisationen wie Mead and Valence in den USA und GS Yuasa in Japan Batterien mit gelierten SPEs. 1996 kündigte Bellcore in den USA eine wiederaufladbare Lithium-Polymer-Zelle mit poröser SPE an.
Eine typische Zelle besteht aus vier Hauptkomponenten: positive Elektrode , negative Elektrode, Separator und Elektrolyt . Der Separator selbst kann ein Polymer sein , wie beispielsweise ein mikroporöser Film aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP); Selbst wenn die Zelle einen flüssigen Elektrolyten enthält, enthält sie dennoch eine "Polymer" -Komponente. Darüber hinaus kann die positive Elektrode weiter in drei Teile unterteilt werden: das Lithium-Übergangsmetalloxid (wie LiCoO 2 oder LiMn 2 O 4 ), ein leitfähiges Additiv und ein Polymerbindemittel aus Poly (vinylidenfluorid) (PVdF). Das negative Elektrodenmaterial kann die gleichen drei Teile haben, wobei nur Kohlenstoff das Lithium-Metalloxid ersetzt.
Arbeitsprinzip
Wie bei anderen Lithium-Ionen-Zellen arbeiten LiPos nach dem Prinzip der Interkalation und De-Interkalation von Lithium-Ionen aus einem positiven Elektrodenmaterial und einem negativen Elektrodenmaterial, wobei der flüssige Elektrolyt ein leitfähiges Medium darstellt. Um zu verhindern, dass sich die Elektroden direkt berühren, befindet sich dazwischen ein mikroporöser Separator, durch den nur die Ionen und nicht die Elektrodenpartikel von einer Seite zur anderen wandern können.
Spannung und Ladezustand
Die Spannung einer einzelnen LiPo-Zelle hängt von ihrer Chemie ab und variiert von etwa 4,2 V (voll geladen) bis etwa 2,7 bis 3,0 V (voll entladen), wobei die Nennspannung 3,6 oder 3,7 Volt beträgt (etwa der Mittelwert des höchsten und niedrigsten Werts) ). Für Zellen auf Basis von Lithium-Metalloxiden (wie LiCoO 2 ); Dies entspricht 1,8–2,0 V (entladen) bis 3,6–3,8 V (geladen) für Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO 4 ).
Die genauen Nennspannungen sollten in den Produktdatenblättern angegeben werden, wobei zu beachten ist, dass die Zellen durch eine elektronische Schaltung geschützt werden sollten, die es ihnen nicht ermöglicht, sich bei Verwendung zu überladen oder zu entladen.
Für LiPo- Akkus mit in Reihe und parallel geschalteten Zellen verfügt jede Zelle über eine separate Pinbelegung. Ein spezielles Ladegerät kann die Ladung pro Zelle überwachen, so dass alle Zellen in den gleichen Ladezustand (SOC) gebracht werden.
Druck auf LiPo-Zellen ausüben
Anders als Lithium-Ionen - zylindrische und prismatische Zellen, die ein starres Metallgehäuse haben, haben Lipo - Zellen einen flexible, folienartige (Polymer - Laminat ) Fall, so dass sie relativ unbeschränkten sind.
Leichtgewicht ist ein Vorteil, wenn die Anwendung ein Mindestgewicht erfordert, wie im Fall von ferngesteuerten Flugzeugen . Es wurde jedoch festgestellt, dass ein mäßiger Druck auf den Schichtstapel, aus dem die Zelle besteht, zu einer erhöhten Kapazitätsbeibehaltung führt, da der Kontakt zwischen den Komponenten maximiert und Delaminierung und Verformung verhindert werden, was mit einer Erhöhung der Zellimpedanz und -verschlechterung verbunden ist.
Anwendungen
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LiPo-Zellen bieten Herstellern überzeugende Vorteile. Sie können problemlos Batterien in nahezu jeder gewünschten Form herstellen. Beispielsweise können die Platz- und Gewichtsanforderungen von Mobilgeräten und Notebooks erfüllt werden. Sie haben auch eine niedrige Selbstentladungsrate, die etwa 5% pro Monat beträgt.
Funkgesteuerte Ausrüstung und Flugzeuge
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LiPo-Batterien sind mittlerweile fast allgegenwärtig, wenn sie für den Antrieb von ferngesteuerten Flugzeugen , ferngesteuerten Autos und großen Modelleisenbahnen verwendet werden, wobei die Vorteile eines geringeren Gewichts und einer höheren Kapazität und Leistungsabgabe den Preis rechtfertigen. Prüfberichte warnen vor Brandgefahr, wenn die Batterien nicht gemäß den Anweisungen verwendet werden.
LiPo-Packs sind auch in Airsoft weit verbreitet , wo ihre höheren Entladeströme und ihre bessere Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen NiMH- Akkus einen sehr spürbaren Leistungsgewinn (höhere Feuerrate) aufweisen. Die hohen Entladeströme beschädigen die Schaltkontakte aufgrund von Lichtbögen (wodurch die Kontakte oxidieren und häufig Kohlenstoff ablagern). Es wird daher empfohlen, entweder einen Festkörper- MOSFET- Schalter zu verwenden oder die Auslösekontakte regelmäßig zu reinigen.
Persönliche Elektronik
LiPo-Akkus sind in Mobilgeräten , Powerbanks , sehr dünnen Laptops , tragbaren Mediaplayern , drahtlosen Controllern für Videospielkonsolen, drahtlosen PC-Peripheriegeräten, elektronischen Zigaretten und anderen Anwendungen allgegenwärtig, bei denen kleine Formfaktoren gesucht werden und die hohe Energiedichte die Kosten überwiegt Überlegungen.
Elektrische Fahrzeuge
Lithium-Ionen-Zellen im Beutelformat werden untersucht, um batterieelektrische Fahrzeuge anzutreiben . Während es möglich ist, eine große Anzahl von Zellen mit geringer Kapazität zu verwenden, um die erforderliche Leistung und Energie für das Fahren eines Fahrzeugs zu erhalten, untersuchen einige Hersteller und Forschungszentren zu diesem Zweck großformatige Lithium-Ionen-Zellen mit einer Kapazität von mehr als 50 Ah . Mit einem höheren Energiegehalt pro Zelle würde die Anzahl der Zellen und elektrischen Verbindungen in einem Batteriepack sicherlich abnehmen, aber die Gefahr, die mit einzelnen Zellen mit solch hoher Kapazität verbunden ist, könnte größer sein.
Die Hyundai Motor Company verwendet diesen Batterietyp in einigen ihrer Hybridfahrzeuge sowie Kia Motors in ihrem batterieelektrischen Kia Soul . Der Bolloré Bluecar , der in mehreren Städten in Carsharing-Systemen eingesetzt wird, verwendet ebenfalls diesen Batterietyp.
Es werden Leichtflugzeuge und selbststartende Segelflugzeuge wie der Lange Antares 20E & Alisport Silent 2 Electro und der Pipistrel WATTsUP hergestellt . Einige größere Segelflugzeuge wie Schempp-Hirth Ventus-2 nutzen die Technologie für autarke Motoren
Sicherheit
LiPo-Zellen sind von denselben Problemen betroffen wie andere Lithium-Ionen-Zellen. Dies bedeutet, dass Überladung, Überentladung, Übertemperatur, Kurzschluss , Quetschen und Eindringen von Nägeln zu einem katastrophalen Ausfall führen können, einschließlich des Berstens des Beutels, des Austritts des Elektrolyten und des Feuers.
Alle Li-Ionen-Zellen dehnen sich aufgrund der leichten Verdampfung des Elektrolyten bei hohem Ladezustand (SOC) oder Überladung aus. Dies kann zu einer Delaminierung und damit zu einem schlechten Kontakt der inneren Schichten der Zelle führen, was wiederum zu einer verminderten Zuverlässigkeit und Gesamtlebensdauer der Zelle führt. Dies macht sich besonders bei LiPos bemerkbar, die sich sichtbar aufblasen können, da es nicht schwierig ist, ihre Expansion einzudämmen.
Einen Vergleich mit LFP- Zellen zu diesem Thema finden Sie unter LiFe-Zellsicherheit
Lithiumzellen mit festem Polymerelektrolyten
Zellen mit festen Polymerelektrolyten haben die vollständige Kommerzialisierung nicht erreicht und sind immer noch ein Forschungsthema. Prototypzellen dieses Typs könnten zwischen einer herkömmlichen Lithium-Ionen- Batterie (mit flüssigem Elektrolyten) und einer vollständig plastischen Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie liegen .
Der einfachste Ansatz ist die Verwendung einer Polymermatrix wie Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Poly (acrylnitril) (PAN), die mit herkömmlichen Salzen und Lösungsmitteln wie LiPF 6 in EC / DMC / DEC geliert ist .
Nishi erwähnt, dass Sony 1988 mit der Forschung an Lithium-Ionen-Zellen mit gelierten Polymerelektrolyten (GPE) begann, bevor 1991 die Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Zelle auf den Markt gebracht wurde. Zu dieser Zeit waren Polymerbatterien vielversprechend und es schien, als würden Polymerelektrolyte werden unverzichtbar. Letztendlich kam dieser Zelltyp 1998 auf den Markt. Scrosati argumentiert jedoch, dass gelierte Membranen im engeren Sinne nicht als "echte" Polymerelektrolyte klassifiziert werden können, sondern als Hybridsysteme, bei denen die flüssigen Phasen im Polymer enthalten sind Matrix. Obwohl diese Polymerelektrolyte sich trocken anfühlen können, können sie immer noch 30% bis 50% flüssiges Lösungsmittel enthalten. In diesem Zusammenhang bleibt offen, wie man wirklich definiert, was eine "Polymerbatterie" ist.
Andere in der Literatur für dieses System verwendete Begriffe umfassen Hybridpolymerelektrolyt (HPE), wobei "Hybrid" die Kombination der Polymermatrix, des flüssigen Lösungsmittels und des Salzes bezeichnet. Mit diesem System entwickelte Bellcore 1996 eine frühe Lithium-Polymer-Zelle, die als "plastische" Lithium-Ionen-Zelle (PLiON) bezeichnet und 1999 kommerzialisiert wurde.
Ein fester Polymerelektrolyt (SPE) ist eine lösungsmittelfreie Salzlösung in einem Polymermedium. Es kann beispielsweise eine Verbindung aus Lithiumbis (fluorsulfonyl) imid (LiFSI) und hochmolekularem Poly (ethylenoxid) (PEO) oder ein hochmolekulares Poly (trimethylencarbonat) (PTMC) sein.
Die Leistung dieser vorgeschlagenen Elektrolyte wird üblicherweise in einer Halbzellenkonfiguration gegen eine Elektrode aus metallischem Lithium gemessen , was das System zu einer " Lithium-Metall " -Zelle macht, es wurde jedoch auch mit einem üblichen Lithium-Ionen-Kathodenmaterial wie Lithium getestet Eisenphosphat (LiFePO 4 ).
Andere Versuche, eine Polymerelektrolytzelle zu entwerfen, umfassen die Verwendung anorganischer ionischer Flüssigkeiten wie 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat ([BMIM] BF 4 ) als Weichmacher in einer mikroporösen Polymermatrix wie Polyvinylidenfluorid-cohexafluorpropylen ) / Poly (methylmethacrylat) (PVDF-HFP / PMMA).
Hochspannungszellen mit Silizium-Graphen-Additiv
Neue Li-Ionen - Akku Zelltechnologie hat eingeführt Silizium - Graphen Additiv , das somit während des Entladens den positiven Anschluss zu erhalten hilft, die Erhöhung der Zell Langlebigkeit und Lebensdauer. Eine inhärente Nebenwirkung beim Betrieb einer 3,7-V-Li-Ionenzelle über 4,2 V ist eine verringerte Lebensdauer bei erhöhtem Innenwiderstand .
Studien haben gezeigt, dass die schlechte Kapazitätserhaltung und die verringerte Lebensdauer einer Li-Ionen-Zelle exponentiell ansteigen, wenn sie über 4,2 V geladen werden, insbesondere aufgrund der Korrosion des positiven Anschlusses. Das Silizium-Graphen-Additiv verringert die Korrosion des positiven Anschlusses, wenn es auf Spannungen von 4,35 V oder mehr aufgeladen wird.
Der Vorteil des Ladens bei einer maximalen Spannung von 4,35 V besteht in einer Erhöhung der Energiedichte um etwa 10% im Vergleich zum Laden einer herkömmlichen 3,7-V-Zelle gleicher Größe und gleichen Gewichts auf 4,2 V. Li-Ionen-Zellen, die als "Hochspannung" gekennzeichnet sind. Kompatibel, wenn bis zu 4,35 V geladen, haben eine vergleichbare Lebensdauer wie Standard-3,7-V-Zellen. Eine Standard-3,7-V-Zelle sollte niemals über 4,2 V aufgeladen werden, da dies zu Beschädigungen oder Bränden führen kann.
Siehe auch
- Liste der Batterietypen
- Lithium-Luft-Batterie
- Lithium-Eisenphosphat-Batterie
- Forschung in Lithium-Ionen-Batterien
Verweise
Externe Links