Li-Ion-polymer batteriteknologi

Li-ion-polymerbatteriteknologi er et attraktivt alternativ til traditionelle litiumbatterier med potentiale til at levere større specifik effekt og energitæthed, samtidig med at det fungerer sikkert over et bredt temperaturområde, uden at termisk runaway er et problem.

Omkostninger

Litiumpolymerbatterier giver betydelige omkostningsfordele i forhold til deres traditionelle litium-ion-kolleger, fordi de bruger faste polymerer i stedet for flydende elektrolytter som elektrolytkilder - det fjerner brandfarlige opløsningsmidler, samtidig med at det giver mulighed for tyndere celledesigns og eliminerer dendritdannelse ved højere temperaturer.

Litiumpolymerbatterier består af fire hoveddele, herunder: positiv elektrode, negativ elektrode, separator og elektrolyt. En porøs film af polyethylen eller polypropylen udgør separatoren, som adskiller elektroderne, mens litiumioner stadig kan passere frit mellem dem, og som også kan bruges til midlertidigt at slukke for batteriet, hvis det bliver for varmt.

Elektrolytter er stoffer, der bruges i batterier til at transportere litiumioner mellem anoden og katoden, og de kan bestå af forskellige materialer. En organisk opløsning er den hyppigst forekommende, selv om andre valg som f.eks. gelerede polymerelektrolytter giver gode muligheder med hensyn til temperaturområde og kemisk stabilitet.

Litium er et grundstof med unikke elektrokemiske egenskaber og er derfor en fremragende kandidat til batteriteknologi. Som et af de letteste metaller med en massefylde på kun 0,09 g/cm3 sammenlignet med andre grundstoffer har litium højere specifik energi og kapacitet pr. gram end andre metaller; desuden fungerer det som en fremragende leder af elektroner, hvilket muliggør batterier med større energitæthed.

I løbet af det sidste årti har batterivirksomhederne arbejdet på at forbedre fremstillingsprocesserne for at reducere produktionsomkostningerne. Ifølge BNEF-undersøgelser konkurrerer omkostningerne til batterier og celler nu med omkostningerne til forbrændingsmotorer (ICE). Desværre er priserne på batterimaterialer fortsat en udfordring, og der kan komme inflation i dem på grund af den stigende efterspørgsel på elbiler.

Litium-ion-polymerbatterier fortsætter med at falde i pris i takt med, at materialeomkostningerne falder, og produktionsprocesserne bliver mere effektive. Industriens ledere har valgt lithium-jernfosfat (LiFePO4)-katoder som en billigere katodemulighed, der er 32% billigere end den dyrere lithium-nikkel-mangan-kobolt-oxid (NMC). Desuden bruger batteriproducenter forbehandlingsteknikker med mikronåle til at reducere omkostningerne til Ni-metalfolier og nye blokcopolymerelektrolytter med dendritresistens, samtidig med at cellernes sikkerhed opretholdes.

Sikkerhed

Litiumpolymerbatterier er mere effektive og mindre tilbøjelige til at blive overophedede end deres flydende modstykker, ligesom de er mere fleksible i anvendelsen end flydende modstykker. Desuden kan disse litiumpolymerbatterier opbevares i lange perioder uden at miste opladning, med lave selvafladningshastigheder. På grund af disse egenskaber er litiumpolymerbatterier blevet populære valg til at drive elektroniske apparater, elcykler og elbiler; men man skal være forsigtig, når man håndterer dem for at undgå brande eller eksplosioner; for at gøre dette sikkert er det bedst at opbevare batterierne i en liposikker pose eller beholder, når de ikke bruges; inspicér regelmæssigt for tegn på skader - hvis de er beskadiget, skal de straks kasseres og erstattes af nye.

For at undgå brande skal du altid bruge en oplader, der er godkendt af din batteriproducent til brug med deres produkter. Hav desuden altid en brandslukker i nærheden, hvis der skulle opstå brand. Endelig må du aldrig placere litiumpolymerbatterier eller -celler direkte i sollys, da det kan føre til temperaturstigninger og kemiske reaktioner, som i sidste ende kan føre til brand.

Litium-polymer-batterier, der overophedes, kan få deres elektrolyt til at fordampe og antænde, hvilket potentielt kan føre til kortslutning i cellerne og en eksplosion, der spreder ild i nærliggende områder. Sådanne risici er ikke værd at tage, når det kan bringe liv og samfund i nærheden i fare.

Litium-ion-batterier udgør yderligere sikkerhedsproblemer ud over overophedning. Forurening med mikroskopiske metalpartikler under fremstillingen kan skabe en intern kortslutning. Desuden kan kulstofflapper på negative elektroder løsne sig og forhindre afladning. Den positive elektrodes aktive materiale kan løsne sig og blokere henholdsvis opladnings- og afladningsprocesser.

For at undgå potentielle problemer bør brugerne kun købe litium-polymer-batterier af mærkevarer fra godkendte leverandører og opladere og følge alle sikkerhedsretningslinjer, herunder producentens anbefalede maksimale afladningsstrøm og polaritetsanbefalinger. De bør også læse deres batteris sikkerhedsdatablad for at sikre sig, at det passer til deres enhed eller anvendelse uden problemer.

Levetid

Litiumpolymerbatteriers levetid varierer betydeligt afhængigt af flere faktorer, herunder deres kemi, design og strømkravene til de enheder, der bruger dem. Litium-ion-batterier giver mere strøm til en lavere pris - perfekt til strømkrævende enheder; mens litium-polymer-batterier giver sikrere batteriløsninger, når der er behov for slanke enheder. Det er lige så vigtigt at vælge det rigtige batteri til din enhed, som det er at bruge det korrekt.

For at maksimere batteriets ydeevne skal du undgå overopladning og opbevaring ved høje temperaturer - begge dele kan reducere dets levetid betydeligt. Undgå også at aflade det helt, da det kan beskadige dets interne kredsløb og potentielt forkorte dets levetid.

Generelt måles batteriets levetid i opladningscyklusser i stedet for måneder; for eksempel vil batterier med en levetid på 500 cyklusser stadig bevare ca. 80% af deres oprindelige kapacitet efter 500 opladninger.

Men miljøforhold som opbevaring, opladningshastighed og afladningsdybde kan forkorte et batteris levetid betydeligt. Litiumbatterier varierer i størrelse, design og elektrodernes kemi, hvilket bestemmer deres levetid; generelt set holder batterier af højere kvalitet længere.

Lithium-ion-polymerbatteriers levetid kan i høj grad påvirkes af afladningsdybde, opladningshastighed, temperatur og vækst i intern modstand over tid - disse faktorer har alle indflydelse på kapacitetstab samt tidlig nedbrydning af kredsløb.

Li-polymerbatterier udviser mindre dramatisk ekspansion, når de overoplades, end deres litium-ion-kolleger; deres ekspansion har også en tendens til at være mindre mærkbar, og deres cykelkapacitet har en tendens til at overgå andre former for litiumbatteriteknologi på grund af deres unikke DEE-elektrolyt, som giver fremragende ionisk ledningsevne mellem negative og positive elektroder for forbedret pålidelighed og cykelkapacitet; desuden har disse celler holdbare belægninger på deres elektroder for at beskytte mod slid for ekstra lang levetid og sikkerhed - hvilket skaber sikre batterier, der er egnede til en række forskellige applikationer og enheder!

Opladning

Litiumpolymerbatterier kan være vanskelige at oplade korrekt. Det er afgørende, at brugerne følger producentens anvisninger og bruger en effektiv oplader for at kunne oplade disse celler korrekt, og før brug skal de være fuldt opladet, før nogen enhed bruger dem. Deres interne struktur er kompleks, da opladning kræver, at de bevæger sig over flere grænseflader, såsom katode-elektrolyt-grænsefladen, det negative elektrodenet og elektrolytten. Overopladning af litiumpolymerbatterier er mulig, så det er vigtigt at overvåge batteriniveauet regelmæssigt, da der til tider kan forekomme overopladning.

Litiumpolymerbatterier leverer både højere spænding og energi, når de er fuldt opladet, og de er mindre følsomme over for temperaturændringer end andre typer batterier. Det er også muligt at oplade litiumpolymerbatterier flere gange uden at øge levetiden, men opladningen skal ske langsomt i et lukket rum, da forkert opladning kan føre til termisk løbskhed og forårsage brand eller eksplosioner.

Som en del af opladningsprocessen bevæger litiumioner sig fra den positive elektrode ind i en elektrolyt og videre til den grafitkomponerede negative elektrode. Efterhånden som de kommer tættere på metal-lithium, bryder de til sidst fri af grafitbindingerne og bliver til dendritter, der trænger gennem membranen mellem de positive og negative elektroder, hvilket resulterer i en kortslutning.

Litium-ion-polymer-batterier skal oplades ved 0,2 C eller derunder for at sikre sikre opladningsforhold. De skal oplades i mindst 30 minutter, indtil deres strøm når mætningspunktet - typisk 10% af deres samlede kapacitet - før de når 4,2 V pr. celle som den spænding, hvor opladningen skal afsluttes.

Et overopladet batteri kan gøre varig skade, da opladningshastigheden overskrider interkalationsprocesserne og får for mange ioner til at forblive på overfladen. Overopladning kan endda fremskynde batteriets ældning i ekstreme tilfælde.