Lithium-polymeerbatterij

Lithium polymeer batterijen (ook bekend als LiPo batterijen) zijn een steeds populairdere keuze geworden in de radiografische wereld. Deze lichtgewicht lithium-polymeercellen bieden lange looptijden en een superieure energiecapaciteit, en meer gebruiksgemak.

Ze hebben een uitstekende C-classificatie, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die snelle snelheidsuitbarstingen vereisen, zoals drone-races.

Niet-waterige ionomeren gevuld met oplosmiddelen die anionen binden aan polymere gastmembranen hebben aangetoond betere prestaties te leveren voor Li-polymeerbatterijen door dendritische afzetting te verminderen.

De elektrolyt

Lithium-ion batterijen zijn een onmisbare energiebron voor elektronische apparaten zoals mobiele telefoons, computers en tablet-pc's. Hoewel lithium-ion accu's bewonderenswaardig goed werk leveren bij het leveren van energie aan deze apparaten, hebben ze ook verschillende beperkingen die de prestaties vaak negatief beïnvloeden. Lithiumpolymeerbatterijen bieden een alternatief door volledig af te zien van het gebruik van vloeibaar elektrolyt ten gunste van elektrolyten in vaste toestand; ze voorkomen fysieke schade of thermische runaway van deze vloeibare elektrolyten en bieden in plaats daarvan vaste elektrolytoplossingen.

Vaste polymeerelektrolyten (SPE's) hebben een lager kookpunt dan organische vloeibare elektrolyten en kunnen flexibeler worden gemaakt door er nanovezels in te verwerken, waardoor lithiumpolymeeraccu's compacter dan normaal in een creditcard passen. Dankzij dunnere SPE's die in polymeerbatterijen worden gebruikt in vergelijking met gewone lithium-ionbatterijen, kan hun capaciteit zelfs verdubbelen.

Solid-state elektrolyten bieden veel voordelen ten opzichte van accu's met vloeibare elektrolyten, met name productietijd. Conventionele batterijen vereisen meestal meerdere stappen, zoals het aanpassen van positieve en negatieve elektrodematerialen voordat ze worden geassembleerd met separatoren en het toevoegen van vloeibare elektrolyt; lithiumpolymeerbatterijen kunnen daarentegen vaak in één stap worden geassembleerd.

Lithiumpolymeeraccu's bieden extra veiligheid. Omdat ze geen vloeibare elektrolyten gebruiken, zijn lithiumpolymeren minder kwetsbaar voor problemen veroorzaakt door een hoge State of Charge (SOC) of overbelasting. Een typische vloeibare batterij zal, wanneer deze wordt blootgesteld aan SOC-/overlaadcycli, uitzetten door lichte verdamping van de elektrolyt; deze uitzetting leidt vaak tot scheuren op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt en tussenfasen en mechanische spanningen veroorzaakt door dit uitzettingsproces die leiden tot degradatie van interne cellagen of ongunstige metallische elektrodeposities zoals dendrieten.

Shi et al. hebben hun onderzoeksinspanningen gericht op het maken van SPE's die dergelijke problemen kunnen overwinnen, door een 3D zelfgeassembleerde SPE te maken met behulp van een ionische vloeistof die is samengesteld met cellulose met een indrukwekkende 2,0×10-4 S/cm bij 25°C ionische geleidbaarheid en uitstekende mechanische eigenschappen. Bovendien versterkt de cellulose ook de structurele integriteit van de SPE, terwijl het een sterke lithiumcoördinatie vormt om het oplossen van lithiumzout te bevorderen, waardoor het algehele ionentransport verbetert en IL-lekkage wordt voorkomen.

De kathode

De kathode van een batterij dient als negatieve elektrode en trekt elektronen weg van de positieve elektrode tijdens het ontladen. Kathodematerialen zijn meestal op koolstof gebaseerd, zoals grafiet of silicium; grafiet wordt over het algemeen meer gebruikt vanwege de lagere kosten, hogere elektrische geleidbaarheid en stabiliteit, terwijl silicium een hogere energiedichtheid biedt. Er worden tegenwoordig verschillende varianten van kathodematerialen gebruikt die een balans zoeken tussen energiedichtheid en levensduur.

Een anode is de positieve elektrode in een batterij die tijdens het opladen positief geladen lithiumionen absorbeert. Gangbare anodematerialen zijn onder andere nikkel-kobaltlegeringen die een goede balans bieden tussen energiedichtheid en levensduur; ze zijn minder duur dan pure nikkel en hebben een lager smeltpunt/kookpuntprofiel waardoor ze geschikt zijn voor de hoge temperaturen van autobatterijen.

Opladen gebeurt door een overspanning van een externe stroombron op elke cel toe te passen, waardoor elektronen van de positieve naar de negatieve elektrode worden gedwongen en lithiumionen met anodemateriaal voor intercalatie worden gemengd. Eenmaal opgeladen neemt de capaciteit van de batterij langzaam toe totdat de maximale laadspanning per cel is bereikt.

Lithium-ion batterijen hebben enige aandacht gekregen omdat ze de neiging hebben om spontaan vlam te vatten; het risico blijft echter relatief laag. Wat vaker voorkomt bij deze batterijen is thermische runaway, waarbij de negatieve elektrode opwarmt voordat deze begint te oxideren en mogelijk ontbrandt, wat uiteindelijk leidt tot een explosie of brand in een explosieve kettingreactie die leidt tot een explosie of brand in een batterijpack.

Lithium-ioncellen met vaste polymeerelektrolyten kunnen het risico op thermische runaway verminderen. Dergelijke elektrolyten bestaan uit plasticachtige films die traditionele poreuze separatoren vervangen in poriën die doordrenkt zijn met organische oplosmiddelen; ze bestaan meestal uit een van verschillende polymeren zoals acrylonitril, butyraat of polyvinylideenfluoride (PVdF).

De Anode

Lithium in zijn pure elementaire vorm is zeer reactief. Om interactie met water en de productie van waterstofgas te voorkomen, wat explosie van de batterij zou veroorzaken, gebruiken lithium-ion batterijen niet-waterige elektrolyten die bestaan uit lithiumzouten in polymeren zoals ethyleencarbonaat of propyleencarbonaat - vier belangrijke componenten die in dit geval één batterijcel vormen.

Kathodes in lithiumbatterijen bestaan uit metaaloxide, terwijl anodes bestaan uit poreuze koolstof. Bij ontlading bewegen lithiumionen van de anode via elektrolyt en separator naar de kathode voor de productie van elektrische energie. Omgekeerd keren ze tijdens het opladen via de anode terug naar de kathode, wat meer energie oplevert.

Zowel kathodes als anodes van batterijpacks worden gemaakt van synthetische verbindingen die worden vermalen tot fijne deeltjes voordat ze worden gemengd met bindmiddelen en oplosmiddelen voordat ze worden gecoat op metaalfolie (meestal aluminium voor anodes en koper voor kathodes). Nadat deze mengsels over het oppervlak van deze metaalfolie zijn verspreid, worden ze erop gesmeerd en gedroogd in een oven om hun structuur vast te zetten, resten van bindmiddelen en oplosmiddelen te verwijderen en een microporeuze film te creëren die doorlaatbaar is voor lithiumionen.

Een anode bestaat meestal uit nikkel-kobaltoxide (NiCoO2) of lithium-mangaandioxide (LiMn2O4); beide materialen zijn goedkoper dan kobalt en kunnen gemakkelijk omkeerbaar worden geoxideerd tot hun natuurlijke staat van nikkel en mangaan. De kubusvormige roosterstructuur van Li-LiMn2O4 vergemakkelijkt driedimensionale diffusie van lithiumionen in en uit de kristallen; tijdens het ontladen wordt één lithiumion per twee Mn-ionen in deze kristallen gebracht, terwijl tijdens het opladen één lithiumion uit één per twee Mn-ionen wordt verwijderd, dat vervolgens tijdens het opladen reversibel wordt onttrokken.

Sommige accu's gebruiken plastic geleidende koolstofanoden, die veel goedkoper zijn en minder cyclusvermogen en capaciteit hebben dan metalen lithiumanoden. Toch vormen ze een aantrekkelijke recyclingoptie omdat je achteraf geen dure en tijdrovende zuiveringsprocessen hoeft te ondergaan; dit leidt echter wel tot de opbouw van metallisch lithium op het oppervlak, waardoor de capaciteit na verloop van tijd afneemt.

Thermische uitloop

Thermische runaway van een lithium-polymeerbatterij treedt op wanneer de interne chemische reacties zichzelf in stand houden, waarbij warmte wordt geproduceerd en energie vrijkomt in een exponentieel toenemend tempo. In dit stadium neemt de druk binnen de batterij snel toe doordat zich gassen vormen die in de cellen uitzetting veroorzaken, waardoor de folieverpakking van de batterij barst en grote hoeveelheden brandbare gassen vrijkomen die gevaarlijk kunnen zijn voor mensenlevens.

Thermische runaway kan door meerdere factoren worden veroorzaakt, waaronder het overladen van de batterij, blootstelling aan hoge temperaturen, een mechanisch defect of interne/externe kortsluiting. Het is een plotselinge gebeurtenis die moeilijk onder controle te houden is en uiteindelijk leidt tot de vernietiging ervan doordat de organische materialen van lithium destabiliseren en afbreken, waardoor gevaarlijk snelle temperatuurstijgingen ontstaan die interne verhitting in de batterijcellen veroorzaken, wat leidt tot thermische runaway-processen.

Alle lithium-ion accu's genereren wat warmte, maar als de snelheid waarmee deze warmte wordt gegenereerd hoger is dan de snelheid waarmee deze wordt afgevoerd, dan zal de interne temperatuur exponentieel stijgen totdat de stabiliteit verloren gaat. Op dat moment zal de interne cel opzwellen als de scheidingsstructuur instort, wat leidt tot elektrodecontact tussen de elektroden en exotherme chemische reacties oproept die de temperatuurstijging snel versnellen en enorme hoeveelheden warmte produceren die de celtemperatuur verder verhogen tot thermische runaway optreedt.

Het terugdringen van thermal runaway kan een bijna onoverkomelijke uitdaging zijn, en dat is waar failsafes zoals separator shutdown om de hoek komen kijken - ze werken door het lithiumtransport uit te schakelen waardoor het thermal runaway-proces stopt, hoewel het even kan duren voordat ze hun werk doen; tot die tijd blijft de accutemperatuur gestaag stijgen.

Om het risico op deze gebeurtenis te minimaliseren en accu's effectiever te beschermen tegen thermische runaway, is het daarom een effectieve strategie om ze op te slaan in een accukast die is uitgerust met temperatuursensoren die de interne celtemperaturen bewaken en kunnen ingrijpen voordat ze de drempel voor thermische runaway bereiken. Deze kasten zijn ook uitgerust met communicatiemogelijkheden om gegevensgestuurde besluitvorming over opladen, opslag en onderhoudsbehoeften mogelijk te maken.