Baterie litowo-polimerowe

Baterie litowo-polimerowe (LiPo) to ładowalne baterie litowo-jonowe wykorzystujące technologię elektrolitu stałego, dzięki czemu są cieńsze i lżejsze niż ich tradycyjne odpowiedniki.

Ponieważ można je ładować za pomocą baterii, kondensatory te stanowią idealne rozwiązanie dla telefonów komórkowych i innych urządzeń zasilanych bateryjnie. Ponadto, entuzjaści elektroniki hobbystycznej używają ich w zdalnie sterowanych dronach.

Gęstość energii

Pomiar gęstości energii opisuje zdolność akumulatora do przechowywania równej ilości ładunku elektrycznego na określonym obszarze w stosunku do objętości. Jej wartość można obliczyć za pomocą wzoru termodynamicznego: e = DG / ma, gdzie DG oznacza zmianę energii Gibbsa reakcji redoks, a ma oznacza masę wszystkich substancji aktywnych w ogniwie. Gęstość energii służy jako jedna z miar wydajności baterii i oceny żywotności; jednak przy wyborze baterii do konkretnych zastosowań należy również wziąć pod uwagę inne czynniki, takie jak stabilność cyklu i szybkość działania.

Baterie litowo-polimerowe odnotowały znaczną poprawę gęstości energii dzięki zastosowaniu stałych elektrolitów polimerowych, w szczególności tych wykonanych ze stałych polimerów. Takie podejście zapobiega tworzeniu się dendrytów Li, jednocześnie zwiększając wytrzymałość mechaniczną elektrod. Ponadto elektrolit ten poprawia przewodność jonową, umożliwiając szybsze ładowanie/rozładowywanie.

Ładowanie odbywa się za pośrednictwem zewnętrznego obwodu, który przykłada do akumulatora przepięcie, kierując elektrony z elektrody dodatniej do elektrody ujemnej poprzez interkalację i jony litu przemieszczające się między obydwoma biegunami akumulatora. Zapewnia to źródło energii chemicznej, która jest przechowywana jako ładunek w materiałach elektrod.

Wysoki poziom reaktywności litu wymaga zastosowania nieorganicznego elektrolitu, takiego jak węglan etylenu lub węglan propylenu z obecnymi kompleksami litu, w celu zapewnienia bezpiecznego działania materiału elektrody, który do prawidłowego działania wymaga pokrycia warstwami o wysokim przewodnictwie.

Elektrolity półprzewodnikowe mają niższą rezystywność niż ciekły węglan etylenu i mogą wytrzymać wyższe temperatury, zapewniając potencjał znacznego zwiększenia gęstości energii baterii litowych i są obecnie badane przez kilka firm.

Innym możliwym rozwiązaniem są baterie metalowo-powietrzne, wykorzystujące folię metalową jako anodę i powietrze jako katodę. Ten typ baterii oferuje wyższą teoretyczną gęstość energii, a jednocześnie jest bardziej przyjazny dla środowiska niż tradycyjne ogniwa litowo-jonowe; krótszy czas ładowania, dłuższą żywotność i mniejszą pojemność cykliczną, która może potencjalnie uszkodzić ogniwa w przypadku ekstremalnego zużycia.

Gęstość mocy

Baterie litowo-polimerowe to baterie wielokrotnego ładowania, które wykorzystują stałe elektrolity polimerowe zamiast ciekłych, co zapewnia lepszą gęstość energii i elastyczność. Ich zwiększona gęstość energii umożliwia stosowanie ich w urządzeniach o unikalnych kształtach; takich jak drony, modele sterowane radiowo i urządzenia do noszenia, w których redukcja wagi jest koniecznością. Często można je znaleźć do zasilania tych gadżetów.

Baterie litowo-polimerowe zazwyczaj oferują gęstość energii od 100 do 200 watogodzin na kilogram, co odgrywa kluczową rolę w określaniu, ile energii elektrycznej można wygenerować przy danych parametrach masy i objętości. Wraz ze spadkiem gęstości energii maleje również powierzchnia zajmowana przez baterię, co może stanowić wyzwanie w przypadku niektórych zastosowań.

Baterie litowo-polimerowe wykorzystują elektrolit składający się ze stałych polimerów przewodzących jony, takich jak tlenek polietylenu (PEO), poli(węglan trimetylenu) o wysokiej masie cząsteczkowej (PTMC) i tlenek polipropylenu (PPO). Ponadto LiTFSI lub Li-NMC są często dodawane jako bezrozpuszczalnikowy roztwór soli w celu dalszego zmniejszenia lepkości roztworów ciekłego elektrolitu.

Po aktywacji baterie działają poprzez przenoszenie jonów z anody do katody za pomocą prądu, co powoduje elektrochemiczną reakcję redoks, która uwalnia elektrony, które osadzają się na katodzie, a tym samym ulegają redukcji w porównaniu ze stanem początkowym jako materiał utleniony. Gdy energia z tych elektronów przemieszcza się przez przewodniki do zewnętrznych obwodów, mogą one generować energię elektryczną, która je zasila.

Baterie litowo-polimerowe oferują większą wszechstronność w porównaniu z ich tradycyjnymi odpowiednikami litowo-jonowymi, charakteryzując się mniejszymi rozmiarami i bardziej elastycznym kształtem, dzięki czemu łatwo mieszczą się w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni na duże ogniwa - idealne do urządzeń do noszenia i dronów, w których przestrzeń jest na wagę złota.

Opracowanie bardziej odpornych i bezpiecznych elektrolitów do akumulatorów litowo-polimerowych jest priorytetowym obszarem badań. Aby osiągnąć ten cel, naukowcy zbadali nieorganiczne wypełniacze, takie jak tytanian litu i krzemian magnezu; wypełniacze te pomagają usztywnić stałe elektrolity polimerowe, zapobiegają dendrytycznemu wzrostowi Li i poprawiają stabilność cykli ogniw foliowych SEI.

Ładowarki

Baterie litowo-polimerowe wymagają ładowarki zdolnej do monitorowania i kontrolowania ich prądu, napięcia, temperatury i obwodów zabezpieczających, aby chronić je przed przeładowaniem lub uszkodzeniem elementów wewnętrznych. Mogą być one stosowane w różnych przenośnych urządzeniach elektronicznych, które wymagają częstego ładowania; wydajne metody ładowania umożliwią tym urządzeniom osiągnięcie pełnego potencjału w miarę upływu czasu.

Baterie litowo-polimerowe spotkały się z negatywnym przyjęciem ze względu na doniesienia o ich spontanicznym spalaniu, ale takie doniesienia są często przesadzone i wyolbrzymione. Przegrzanie jest zwykle odpowiedzialne za takie incydenty, co prowadzi do niekontrolowanych reakcji chemicznych, które ostatecznie powodują pożary - dlatego ważne jest, aby ładowarki nie pozostawały podłączone podczas użytkowania ani nie pozostawały włączone podczas ładowania. W celu zapewnienia bezpiecznego ładowania konieczne jest, aby akumulator był odłączony podczas ładowania, a jego kabel był prawidłowo zamocowany na kontrolerze ESC.

Podczas ładowania akumulatora jony litu migrują z elektrody dodatniej do elektrody ujemnej, tworząc tlenek litu. Ta reakcja chemiczna powoduje korozję lub "rdzę", a w miarę gromadzenia się powoduje wzrost poziomów rezystancji wewnętrznej, co skutkuje wyższymi wymaganiami dotyczącymi rezystancji wewnętrznej do działania akumulatora.

Naukowcy podejmują wysiłki w celu zwiększenia wydajności akumulatorów litowo-polimerowych. Dzięki zastosowaniu stałych elektrolitów polimerowych, które zwiększają przewodność, naukowcy osiągnęli zwiększoną zdolność cyklu i szybkości, a także ulepszenia powierzchni litu metalicznego przy użyciu nanotechnologii.

Skutecznym sposobem na zwiększenie wydajności baterii litowo-polimerowej jest system zarządzania temperaturą, taki jak układ elektroniczny, który pomaga kontrolować szybkość ładowania i napięcie, wykrywać naprężenia termiczne i zapobiegać przegrzaniu. Wraz z rozwojem technologii, baterie litowo-polimerowe będą stawały się coraz bardziej wydajne, jednak ich bezpieczeństwo nadal nie może się równać z bezpieczeństwem baterii litowo-jonowych.

Bezpieczeństwo

Producenci zaprojektowali kilka funkcji bezpieczeństwa w bateriach litowo-polimerowych, aby zapobiec ich awarii z powodu wysokiej temperatury. Na przykład ograniczają ilość aktywnego materiału, aby osiągnąć równowagę między gęstością energii a bezpieczeństwem; zawierają wiele urządzeń ochronnych w ogniwach; i mają elektroniczny obwód ochronny monitorujący ogniwa, który automatycznie wyłącza się, gdy jego wewnętrzna temperatura staje się zbyt wysoka.

Inną metodą utrzymywania temperatury pod kontrolą jest system zarządzania temperaturą. System ten składa się z połączonych ze sobą podkładek termicznych, które odprowadzają ciepło z poszczególnych ogniw, jednocześnie chłodząc je poprzez nadmuchiwanie na nie powietrza, pomagając w ten sposób zapobiegać przegrzaniu i wydłużając żywotność baterii.

Baterie litowo-polimerowe mogą być niezwykle bezpieczne, jeśli są używane prawidłowo. Nie wywołują one pożarów, jak ich płynne odpowiedniki, a awarie związane z wysoką temperaturą są stosunkowo rzadkie. Mimo to, polimery litowe pozostają wrażliwe na zewnętrzne źródła ciepła i zawsze powinny być przechowywane w chłodnym miejscu, z dala od bezpośredniego światła słonecznego lub dużych źródeł ciepła, takich jak grzejniki lub piece.

Aby zminimalizować ryzyko pożaru, baterie litowe powinny być przechowywane w chłodnym miejscu, z dala od materiałów łatwopalnych, z gaśnicą w pobliżu i regularnie ładowane, jeśli planujesz przechowywać pakiet dłużej niż trzy miesiące.

Zawsze używaj ładowarki zaprojektowanej specjalnie dla pakietów LiPo i dokładnie sprawdź ustawienia, w tym liczbę ogniw i natężenie prądu. Należy również trzymać z dala od wszelkich metalowych przedmiotów, które mogą potencjalnie spowodować zwarcie. W przypadku stosowania w modelach sterowanych radiowo zdecydowanie zaleca się stosowanie worka Lipo Sack.

Nigdy nie próbuj "podgrzewać" lub zwiększać napięcia powyżej 4,2 V na ogniwo w celu poprawy wydajności; urządzenia te często twierdzą inaczej, ale w rzeczywistości mogą zwiększyć ryzyko pożaru lub uszkodzić sprzęt.