Bateria litowo-polimerowa

Baterie litowo-polimerowe (znane również jako baterie LiPo) stają się coraz bardziej popularnym wyborem w świecie sterowania radiowego. Te lekkie ogniwa litowo-polimerowe oferują długi czas pracy i doskonałą moc, a także większą wygodę.

Charakteryzują się doskonałą oceną C, dzięki czemu nadają się do zastosowań wymagających dużych prędkości, takich jak wyścigi dronów.

Niewodne jonomery wypełnione rozpuszczalnikiem, które wiążą aniony z membranami polimerowymi, wykazały lepszą wydajność akumulatorów litowo-polimerowych poprzez ograniczenie osadzania się dendrytów.

Elektrolit

Baterie litowo-jonowe są niezbędnym źródłem zasilania dla urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, komputery i tablety. Chociaż baterie litowo-jonowe wykonują godną podziwu pracę w zakresie dostarczania energii do tych urządzeń, mają one również różne ograniczenia, które często negatywnie wpływają na wydajność. Baterie litowo-polimerowe oferują alternatywę, całkowicie rezygnując z elektrolitów ciekłych na rzecz elektrolitów stałych; eliminując uszkodzenia fizyczne lub ucieczkę termiczną z tych ciekłych i oferując zamiast tego rozwiązania z elektrolitami stałymi.

Stałe elektrolity polimerowe (SPE) oferują niższe temperatury wrzenia niż organiczne elektrolity ciekłe i mogą być bardziej elastyczne dzięki wbudowaniu w nie nanowłókien, dzięki czemu baterie litowo-polimerowe mogą zmieścić się na karcie kredytowej w bardziej kompaktowy sposób niż zwykle. Ponadto, dzięki cieńszym elektrolitom SPE stosowanym w bateriach polimerowych w porównaniu ze zwykłymi bateriami litowo-jonowymi, ich pojemność może się nawet podwoić.

Elektrolity półprzewodnikowe mają wiele zalet w porównaniu z akumulatorami z elektrolitami ciekłymi, zwłaszcza pod względem czasu produkcji. Konwencjonalne baterie zazwyczaj wymagają kilku etapów, takich jak dostosowanie materiałów elektrod dodatnich i ujemnych przed montażem z separatorami i dodaniem ciekłego elektrolitu; natomiast baterie litowo-polimerowe często można zmontować w jednym kroku.

Akumulatory litowo-polimerowe oferują dodatkowe bezpieczeństwo. Ponieważ nie wykorzystują one ciekłych elektrolitów, polimery litu są mniej podatne na problemy spowodowane wysokim stanem naładowania (SOC) lub przeładowaniem. Typowa ciekła bateria, gdy jest narażona na cykle SOC/przeładowania, rozszerza się z powodu niewielkiego odparowania elektrolitu; ta ekspansja często prowadzi do pęknięć na styku elektroda|elektrolit i międzyfaz oraz naprężeń mechanicznych spowodowanych tym procesem ekspansji, które prowadzą do degradacji wewnętrznych warstw ogniwa lub niekorzystnych elektrodepozycji metalicznych, takich jak dendryty.

Shi i in. skoncentrowali swoje wysiłki badawcze na stworzeniu SPE, które mogą przezwyciężyć takie problemy, tworząc trójwymiarową, samoorganizującą się SPE przy użyciu cieczy jonowej połączonej z celulozą, która ma imponującą przewodność jonową 2,0×10-4 S/cm w 25 ° C i doskonałe właściwości mechaniczne. Co więcej, celuloza wzmacnia również integralność strukturalną SPE, jednocześnie tworząc silną koordynację litu w celu promowania rozpuszczania soli litu, poprawiając w ten sposób ogólny transport jonów, jednocześnie zapobiegając wyciekom IL.

Katoda

Katoda akumulatora służy jako elektroda ujemna, odciągając elektrony od elektrody dodatniej podczas rozładowywania. Materiały katodowe są zwykle oparte na węglu, takie jak grafit lub krzem; grafit jest częściej używany ze względu na niższy koszt, wyższą przewodność elektryczną i stabilność, podczas gdy krzem oferuje wyższą gęstość energii. Obecnie stosowane są różne iteracje materiałów katodowych, które mają na celu osiągnięcie równowagi między gęstością energii a żywotnością.

Anoda jest elektrodą dodatnią w akumulatorze, służącą do pochłaniania dodatnio naładowanych jonów litu podczas ładowania. Typowe materiały anodowe obejmują stopy niklowo-kobaltowe, które oferują dobrą równowagę między gęstością energii a żywotnością cyklu; tańsze niż opcje czystego niklu z niższymi profilami temperatury topnienia / wrzenia, które sprawiają, że nadają się do akumulatorów samochodowych w wysokich temperaturach.

Ładowanie odbywa się poprzez zastosowanie przepięcia z zewnętrznego źródła zasilania do każdego ogniwa, wymuszając przepływ elektronów z elektrody dodatniej do ujemnej i interkalację jonów litu z materiałem anody w celu interkalacji. Po naładowaniu pojemność akumulatora wzrasta powoli, aż do osiągnięcia górnej granicy napięcia ładowania na ogniwo.

Akumulatory litowo-jonowe zostały zauważone przez prasę ze względu na ich tendencję do samozapłonu, jednak ryzyko z tym związane pozostaje stosunkowo niskie. Bardziej powszechnym zjawiskiem wśród tych akumulatorów jest niekontrolowany wzrost temperatury, w którym ich ujemna elektroda nagrzewa się, zanim zacznie się utleniać i potencjalnie zapalić, ostatecznie prowadząc do eksplozji lub pożaru w wybuchowej reakcji łańcuchowej, która prowadzi do eksplozji lub pożaru w zestawie akumulatorów.

Ogniwa litowo-jonowe ze stałymi elektrolitami polimerowymi mogą pomóc zmniejszyć ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury. Takie elektrolity składają się z folii przypominających plastik, które zastępują tradycyjne porowate separatory w porach nasączonych rozpuszczalnikami organicznymi; zwykle składają się z jednego z kilku polimerów, takich jak akrylonitryl, maślan lub polifluorek winylidenu (PVdF).

Anoda

Lit w czystej postaci pierwiastkowej jest wysoce reaktywny. Aby uniknąć interakcji z wodą i produkcji wodoru, który mógłby spowodować eksplozję baterii, baterie litowo-jonowe wykorzystują niewodne elektrolity składające się z soli litu w polimerach, takich jak węglan etylenu lub węglan propylenu - cztery kluczowe składniki tworzące w tym przypadku jedno ogniwo baterii.

Katody w bateriach litowych składają się z tlenku metalu, podczas gdy anody składają się z porowatego węgla. Po rozładowaniu jony litu przemieszczają się z anody przez elektrolit i separator do katody przez elektrolit w celu wytworzenia energii elektrycznej. I odwrotnie, podczas ładowania wracają przez anodę z powrotem do katody, co zapewnia większą moc.

Zarówno katody, jak i anody akumulatorów są wykonane z syntetycznych związków, które są mielone na drobne cząstki przed zmieszaniem ze spoiwami i rozpuszczalnikami, a następnie powlekane na metalową folię (zwykle aluminiową dla anody i miedzianą dla katody). Po rozprowadzeniu na powierzchni folii metalowej, mieszaniny te są rozprowadzane na wierzchu i suszone w piecu w celu zabezpieczenia ich struktury, usunięcia pozostałości spoiwa / rozpuszczalnika i stworzenia mikroporowatej warstwy przepuszczalnej dla jonów litu.

Anoda zazwyczaj składa się z tlenku niklowo-kobaltowego (NiCoO2) lub dwutlenku litowo-manganowego (LiMn2O4); oba materiały oferują niższe koszty niż kobalt, a jednocześnie są łatwo odwracalnie utleniane z powrotem do ich naturalnych stanów niklu i manganu. Sześcienna struktura sieciowa Li-LiMn2O4 ułatwia trójwymiarową dyfuzję jonów litu do i z kryształów; podczas rozładowywania jeden jon litu na dwa jony Mn jest wprowadzany do tych kryształów, podczas gdy ładowanie usuwa jeden jon litu z jednego na dwa jony Mn, które są następnie odwracalnie ekstrahowane podczas ładowania.

Niektóre akumulatory wykorzystują plastikowe anody węglowe, które są znacznie tańsze i mają mniejszą zdolność do pracy cyklicznej i pojemność niż metaliczne anody litowe. Mimo to stanowią one atrakcyjną opcję recyklingu, ponieważ nie trzeba później przechodzić kosztownych i czasochłonnych procesów oczyszczania; prowadzi to jednak do gromadzenia się metalicznego litu na jego powierzchni, co z czasem zmniejsza pojemność.

Ucieczka termiczna

Rozładowanie termiczne akumulatora litowo-polimerowego następuje, gdy jego wewnętrzne reakcje chemiczne stają się samopodtrzymujące, wytwarzając ciepło i uwalniając energię w wykładniczo rosnącym tempie. Na tym etapie ciśnienie w akumulatorze gwałtownie wzrasta, ponieważ tworzą się gazy, które powodują ekspansję w ogniwach, powodując rozerwanie foliowego opakowania akumulatora i uwalniając duże ilości łatwopalnych gazów, które mogą być niebezpieczne dla życia ludzkiego.

Upadek termiczny może być spowodowany wieloma czynnikami, w tym przeładowaniem akumulatora, wystawieniem go na działanie wysokich temperatur, awarią mechaniczną lub wewnętrznym/zewnętrznym zwarciem. Jest to nagłe i trudne do kontrolowania zdarzenie, które ostatecznie prowadzi do zniszczenia akumulatora z powodu destabilizacji i rozpadu materiałów organicznych litu, powodując niebezpiecznie szybki wzrost temperatury, który powoduje wewnętrzne nagrzewanie się ogniw akumulatora, co prowadzi do niekontrolowanych procesów termicznych.

Wszystkie akumulatory litowo-jonowe generują pewną ilość ciepła, ale jeśli tempo, w jakim to ciepło jest generowane, przekracza tempo jego rozpraszania, wówczas jego wewnętrzna temperatura będzie rosnąć wykładniczo, aż do utraty stabilności. W tym momencie wewnętrzne ogniwo pęcznieje, ponieważ jego struktura separatora zapada się, co prowadzi do kontaktu między elektrodami i wywołuje egzotermiczne reakcje chemiczne, które gwałtownie przyspieszają wzrost temperatury, wytwarzając ogromne ilości ciepła, które dodatkowo podnoszą temperaturę ogniwa, aż do wystąpienia niekontrolowanego wzrostu temperatury.

Ograniczenie zjawiska ucieczki termicznej może być wyzwaniem niemal nie do pokonania, dlatego też do gry wkraczają rozwiązania awaryjne, takie jak wyłączenie separatora - ich działanie polega na odcięciu transportu litu, co zatrzymuje proces ucieczki termicznej, choć może to zająć trochę czasu; do tego czasu temperatura baterii stale rośnie.

Dlatego też, aby zminimalizować ryzyko tego zdarzenia i skuteczniej chronić akumulatory przed niekontrolowanym wzrostem temperatury, jedną ze skutecznych strategii jest przechowywanie ich w szafie akumulatorowej wyposażonej w czujniki temperatury, które monitorują wewnętrzne temperatury ogniw i mogą interweniować, zanim osiągną próg niekontrolowanego wzrostu temperatury. Szafy te są również wyposażone w funkcje komunikacyjne, aby umożliwić podejmowanie decyzji opartych na danych, jeśli chodzi o potrzeby związane z ładowaniem, przechowywaniem i konserwacją.