Litiumpolymerbatteri

Litiumpolymerbatteri
Informasjon
Navn		Litiumpolymerbatteri
Spesifikk energi		100–265 W·t/kg(0.36–0.95 MJ/kg)
Energi tetthet		250–730 W·t/L(0.90–2.63 MJ/L)

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]

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.

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]

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.

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).

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]

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.