Litium-polymer-batteri

Litiumpolymerbatterier (også kjent som LiPo-batterier) har blitt et stadig mer populært valg i radiokontrollverdenen. De lette litiumpolymercellene har lang driftstid og overlegen strømkapasitet, og de er svært praktiske.

De har en utmerket C-klassifisering, noe som gjør dem egnet for bruksområder som krever høy hastighet, for eksempel droneracing.

Ikke-vandige løsemiddelfylte ionomerer som binder anioner til polymervertsmembraner, har vist seg å forbedre ytelsen til litium-polymerbatterier ved å redusere dendritisk avsetning.

Elektrolytten

Litiumionbatterier er en uunnværlig strømkilde for elektroniske enheter som mobiltelefoner, datamaskiner og nettbrett. Selv om litiumionbatterier gjør en beundringsverdig jobb med å levere energi til disse enhetene, har de også en rekke begrensninger som ofte påvirker ytelsen negativt. Litiumpolymerbatterier tilbyr et alternativ ved at de ikke lenger bruker flytende elektrolytter, men faste elektrolytter, slik at man unngår fysiske skader eller termisk rømning i de flytende batteriene, og i stedet tilbyr løsninger med faste elektrolytter.

Faste polymerelektrolytter (SPE) har lavere kokepunkt enn organiske flytende elektrolytter og kan gjøres mer fleksible ved å inkorporere nanofibre i dem, noe som gjør at litiumpolymerbatterier potensielt kan få plass på kredittkort på en mer kompakt måte enn vanlig. Og takket være de tynnere SPE-ene som brukes i polymerbatterier sammenlignet med vanlige litiumionbatterier, kan kapasiteten til og med dobles.

Faststoffelektrolytter gir mange fordeler i forhold til batterier med flytende elektrolytter, særlig når det gjelder produksjonstid. Konvensjonelle batterier involverer vanligvis flere trinn, for eksempel tilpasning av positive og negative elektrodematerialer før de settes sammen med separatorer og tilsetting av flytende elektrolytt, mens litiumpolymerbatterier ofte kan settes sammen i ett trinn.

Litiumpolymerbatterier gir ekstra sikkerhet. Fordi de ikke bruker flytende elektrolytter, er litiumpolymerer mindre sårbare for problemer forårsaket av høy ladetilstand (SOC) eller overlading. Når et typisk flytende batteri utsettes for SOC/overladingssykluser, vil det ekspandere på grunn av lett fordampning av elektrolytten. Denne ekspansjonen fører ofte til sprekker i grensesnittet mellom elektrode og elektrolytt og mellom faser og mekaniske påkjenninger forårsaket av denne ekspansjonsprosessen, noe som fører til nedbrytning av indre cellelag eller ugunstige metalliske elektroavsetninger som dendritter.

Shi et al. har fokusert forskningsinnsatsen sin på å lage SPE-er som kan overvinne slike problemer, og har laget en 3D-selvmontert SPE ved hjelp av en ionisk væske blandet med cellulose som har en imponerende ionisk ledningsevne på 2,0×10-4 S/cm ved 25 °C og utmerkede mekaniske egenskaper. Videre styrker cellulosen også SPE-ens strukturelle integritet, samtidig som den danner en sterk litiumkoordinering som fremmer oppløsningen av litiumsalt og dermed forbedrer den generelle ionetransporten, samtidig som den forhindrer IL-lekkasje.

Katoden

Katoden i et batteri fungerer som batteriets negative elektrode, og trekker elektroner bort fra den positive elektroden under utladning. Katodematerialene er som regel karbonbaserte, for eksempel grafitt eller silisium. Grafitt brukes ofte på grunn av lavere kostnader, høyere elektrisk ledningsevne og stabilitet, mens silisium gir høyere energitetthet. I dag brukes det ulike varianter av katodematerialer som søker balanse mellom energitetthet og levetid.

En anode er den positive elektroden i et batteri, som absorberer positivt ladede litiumioner under lading. Vanlige anodematerialer omfatter nikkel-kobolt-legeringer som gir god balanse mellom energitetthet og sykluslevetid, og som er rimeligere enn rene nikkelalternativer med lavere smeltepunkt/kokepunktprofiler som gjør dem egnet for bilbatterier med høye temperaturer.

Ladingen skjer ved at hver celle tilføres en overspenning fra en ekstern strømkilde, noe som tvinger elektroner fra den positive til den negative elektroden og interkalerer litiumioner med anodemateriale for interkalering. Når batteriet er ladet, øker kapasiteten sakte helt til den maksimale ladespenningen per celle er nådd.

Litium-ion-batterier har fått en del omtale for sin tendens til å ta fyr spontant, men risikoen er fortsatt relativt lav. Det vanligste problemet med disse batteriene er termisk runaway, der den negative elektroden varmes opp før den begynner å oksidere og potensielt antennes, noe som til slutt fører til eksplosjon eller brann i en eksplosiv kjedereaksjon som igjen fører til eksplosjon eller brann i en batteripakke.

Litium-ion-celler med faste polymerelektrolytter kan bidra til å redusere risikoen for termisk runaway. Slike elektrolytter består av plastlignende filmer som erstatter tradisjonelle porøse separatorer i porer fuktet med organiske løsemidler, og består vanligvis av en av flere polymerer som akrylonitril, butyrat eller polyvinylidenfluorid (PVdF).

Anoden

Litium i ren grunnstoffform er svært reaktivt. For å unngå interaksjon med vann og produksjon av hydrogengass som kan føre til batterieksplosjon, bruker litium-ion-batterier ikke-vandige elektrolytter som består av litiumsalter i polymerer som etylenkarbonat eller propylenkarbonat - fire nøkkelkomponenter som i dette tilfellet utgjør én battericelle.

Katoder i litiumbatterier består av metalloksid, mens anoder består av porøst karbon. Ved utladning beveger litiumioner seg fra anoden gjennom elektrolytt og separator til katoden via elektrolytt for produksjon av elektrisk energi. Omvendt, under lading returnerer de gjennom anoden tilbake til katoden, noe som gir mer strøm.

Både katoder og anoder i batteripakker er laget av syntetiske forbindelser som males til fine partikler før de blandes med bindemidler og løsemidler og deretter påføres metallfolie (vanligvis aluminium for anoder og kobber for katoden). Etter å ha blitt spredt utover metallfolien, blir disse blandingene spredt på toppen og tørket i en ovn for å sikre strukturen, fjerne rester av bindemiddel/løsningsmiddel og skape en mikroporøs film som er gjennomtrengelig for litiumioner.

En anode består vanligvis av nikkel-koboltoksid (NiCoO2) eller litium-mangandioksid (LiMn2O4). Begge materialene er billigere enn kobolt, samtidig som de lett kan oksideres reversibelt tilbake til sin naturlige tilstand av nikkel og mangan. Li-LiMn2O4s kubiske gitterstruktur legger til rette for tredimensjonal diffusjon av litiumioner inn i og ut av krystallene; under utladning settes ett litiumion per to Mn-ioner inn i disse krystallene, mens lading fjerner ett litiumion fra ett per to Mn-ioner, som deretter trekkes ut reversibelt under lading.

Noen batterier bruker karbonanoder av plast, som er mye billigere og har lavere syklingsevne og kapasitet enn metalliske litiumanoder. De er likevel et attraktivt resirkuleringsalternativ, siden du ikke trenger å gjennomgå dyre og tidkrevende renseprosesser i etterkant. Dette fører imidlertid til opphopning av metallisk litium på overflaten, noe som reduserer kapasiteten over tid.

Termisk løpskhet

Termisk løpskhet i et litiumpolymerbatteri oppstår når de interne kjemiske reaksjonene blir selvopprettholdende, produserer varme og frigjør energi i eksponentielt økende hastighet. På dette stadiet øker trykket raskt i batteriet, og det dannes gasser som får cellene til å ekspandere, noe som fører til at batteriets folieemballasje sprekker og frigjør store mengder brennbare gasser som kan være livsfarlige for mennesker.

Termisk løpskhet kan skyldes flere faktorer, blant annet at batteriet overlades, utsettes for høye temperaturer, mekaniske feil eller interne/eksterne kortslutninger. Det er en plutselig hendelse som er vanskelig å kontrollere, og som til slutt fører til ødeleggelse på grunn av at litiums organiske materialer destabiliseres og brytes ned, noe som skaper farlig raske temperaturøkninger som fører til intern oppvarming i battericellene, noe som igjen fører til termiske løpskhetsprosesser.

Alle litium-ion-batterier genererer noe varme, men hvis hastigheten som denne varmen genereres med, overstiger avledningshastigheten, vil den interne temperaturen øke eksponentielt inntil stabiliteten går tapt. På det tidspunktet vil den indre cellen svelle når separatorstrukturen kollapser, noe som fører til elektrodekontakt mellom elektrodene og utløser eksoterme kjemiske reaksjoner som raskt akselererer temperaturstigningen samtidig som det produseres enorme mengder varme som øker celletemperaturen ytterligere inntil termisk løpskhet inntreffer.

Å redusere termisk løpskhet kan være en nesten uoverstigelig utfordring, og det er her feilsikringer som separatoravstenging kommer inn i bildet - de fungerer ved å stenge av litiumtransporten, noe som stopper den termiske løpskhetsprosessen, selv om det kan ta litt tid før de virker; frem til den tiden kommer, fortsetter batteritemperaturen å øke jevnt og trutt.

For å minimere risikoen for denne hendelsen og beskytte batteriene mer effektivt mot termisk løpskhet, er en effektiv strategi å oppbevare dem i et batteriskap utstyrt med temperatursensorer som overvåker celletemperaturen og kan gripe inn før de når terskelen for termisk løpskhet. Disse skapene er også utstyrt med kommunikasjonsfunksjoner som muliggjør datadrevet beslutningstaking når det gjelder lading, lagring og vedlikeholdsbehov.