Technologia akumulatorów litowo-jonowo-polimerowych stanowi atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych akumulatorów litowych, oferując potencjał uzyskania większej mocy właściwej i gęstości energii, a jednocześnie zapewniając bezpieczną pracę w szerokim zakresie temperatur bez ryzyka wystąpienia niekontrolowanego wzrostu temperatury.
Koszt
Akumulatory litowo-polimerowe zapewniają znaczną przewagę kosztową w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi dzięki zastosowaniu stałych polimerów zamiast ciekłych elektrolitów jako źródła elektrolitu – pozwala to wyeliminować łatwopalne rozpuszczalniki, umożliwia jednocześnie tworzenie cieńszych ogniw oraz zapobiega tworzeniu się dendrytów w wyższych temperaturach.
Akumulatory litowo-polimerowe składają się z czterech głównych części, a mianowicie: elektrody dodatniej, elektrody ujemnej, separatora i elektrolitu. Separator stanowi porowata folia wykonana z polietylenu lub polipropylenu, która oddziela elektrody, umożliwiając jednocześnie swobodny przepływ jonów litu między nimi, a także może służyć do tymczasowego odcięcia zasilania w przypadku nadmiernego nagrzania się akumulatora.
Elektrolity to substancje stosowane w akumulatorach do transportu jonów litu między anodą a katodą; mogą być wykonane z różnych materiałów. Najczęściej spotyka się roztwory organiczne, choć inne rozwiązania, takie jak żelowe elektrolity polimerowe, stanowią realną alternatywę pod względem zakresu temperatur i stabilności chemicznej.
Lit jest pierwiastkiem o wyjątkowych właściwościach elektrochemicznych, co sprawia, że doskonale nadaje się do zastosowań w technologii akumulatorowej. Będąc jednym z najlżejszych metali, o gęstości wynoszącej zaledwie 0,09 g/cm³ w porównaniu z innymi pierwiastkami, lit charakteryzuje się wyższą energią właściwą i pojemnością na gram niż inne metale; ponadto jest doskonałym przewodnikiem elektronów, co umożliwia tworzenie akumulatorów o większej gęstości energii.
W ciągu ostatniej dekady producenci akumulatorów pracowali nad udoskonaleniem procesów produkcyjnych w celu obniżenia kosztów produkcji. Według badań BNEF koszty pakietów akumulatorowych i ogniw są obecnie porównywalne z kosztami silników spalinowych (ICE). Niestety ceny materiałów do produkcji akumulatorów nadal stanowią wyzwanie, a ich wzrost może przyspieszyć inflację w związku z rosnącym popytem na pojazdy elektryczne.
Ceny akumulatorów litowo-jonowych polimerowych nadal spadają w miarę obniżania się kosztów materiałów i zwiększania wydajności procesów produkcyjnych. Liderzy branży zdecydowali się na zastosowanie katod litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO₄) jako tańszej alternatywy, która jest o 32% tańsza od droższego tlenku litowo-niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC). Ponadto producenci akumulatorów stosują techniki wstępnej obróbki z wykorzystaniem mikroigieł w celu obniżenia kosztów folii niklowej oraz nowe elektrolity z kopolimerów blokowych, które są odporne na tworzenie się dendrytów, przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa ogniw.
Bezpieczeństwo
Akumulatory litowo-polimerowe są bardziej wydajne i mniej podatne na przegrzanie niż ich odpowiedniki z elektrolitem płynnym, a także oferują większą elastyczność zastosowań. Ponadto akumulatory te można przechowywać przez długi czas bez utraty ładunku, a ich wskaźniki samorozładowania są niskie. Dzięki tym cechom akumulatory litowo-polimerowe stały się popularnym wyborem do zasilania urządzeń elektronicznych, rowerów elektrycznych i pojazdów elektrycznych; należy jednak zachować ostrożność podczas obchodzenia się z nimi, aby uniknąć pożarów lub wybuchów; aby zapewnić bezpieczeństwo, najlepiej przechowywać akumulatory w specjalnej torbie lub pojemniku zabezpieczającym przed wyciekiem, gdy nie są używane; należy regularnie sprawdzać, czy nie ma śladów uszkodzeń – w przypadku uszkodzenia należy natychmiast wyrzucić akumulator i wymienić go na nowy.
Aby zapobiec pożarom, należy zawsze używać ładowarki zatwierdzonej przez producenta akumulatora do stosowania z jego produktami. Ponadto należy zawsze mieć pod ręką suchą gaśnicę na wypadek, gdyby doszło do pożaru. Wreszcie, nigdy nie należy wystawiać akumulatorów ani ogniw litowo-polimerowych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych, ponieważ może to spowodować wzrost temperatury i reakcje chemiczne, które w konsekwencji mogą doprowadzić do pożaru.
Przegrzanie akumulatorów litowo-polimerowych może spowodować odparowanie i zapłon elektrolitu, co może doprowadzić do zwarcia w ogniwach oraz wybuchu, który spowoduje rozprzestrzenienie się ognia na pobliskie obszary. Nie warto narażać się na takie ryzyko, skoro może ono zagrażać życiu ludzi i pobliskim społecznościom.
Akumulatory litowo-jonowe stwarzają dodatkowe zagrożenia dla bezpieczeństwa, poza ryzykiem przegrzania. Zanieczyszczenie mikroskopijnymi cząstkami metalu podczas produkcji może spowodować wewnętrzne zwarcie. Ponadto węglowe wypustki na elektrodach ujemnych mogą się odłączyć, uniemożliwiając rozładowywanie. Materiał aktywny elektrody dodatniej może się odłączyć i zablokować odpowiednio proces ładowania lub rozładowywania.
Aby uniknąć ewentualnych problemów, użytkownicy powinni kupować wyłącznie markowe akumulatory litowo-polimerowe od certyfikowanych sprzedawców oraz odpowiednie ładowarki, a także przestrzegać wszystkich wytycznych dotyczących bezpieczeństwa, w tym zaleceń producenta dotyczących maksymalnego prądu rozładowania i biegunowości. Powinni również zapoznać się z kartą charakterystyki substancji niebezpiecznej akumulatora, aby upewnić się, że będzie on bez problemu pasował do ich urządzenia lub zastosowania.
Długość życia
Żywotność akumulatorów litowo-polimerowych różni się znacznie w zależności od kilku czynników, w tym od składu chemicznego, konstrukcji oraz zapotrzebowania na energię urządzeń, w których są stosowane. Akumulatory litowo-jonowe zapewniają większą moc przy niższych kosztach – idealnie nadają się do urządzeń o wysokim zapotrzebowaniu na energię; natomiast akumulatory litowo-polimerowe stanowią bezpieczniejsze rozwiązanie w przypadku urządzeń, które muszą być smukłe. Wybór odpowiedniego akumulatora do urządzenia jest równie istotny, jak jego właściwe użytkowanie.
Aby zapewnić optymalną wydajność akumulatora, należy unikać jego przeładowywania oraz przechowywania w wysokich temperaturach – oba te czynniki mogą znacznie skrócić jego żywotność. Należy również unikać całkowitego rozładowywania akumulatora, ponieważ może to spowodować uszkodzenie jego wewnętrznych obwodów i potencjalnie skrócić jego żywotność.
Ogólnie rzecz biorąc, żywotność akumulatora mierzy się raczej w cyklach ładowania niż w miesiącach; na przykład akumulatory o żywotności 500 cykli po 500 ładowaniach zachowają nadal około 80% swojej pierwotnej pojemności.
Jednak czynniki środowiskowe, takie jak warunki przechowywania, szybkość ładowania i stopień rozładowania, mogą znacznie skrócić żywotność akumulatora. Akumulatory litowe różnią się między sobą rozmiarem, konstrukcją i składem chemicznym elektrod, co ma wpływ na ich żywotność; ogólnie rzecz biorąc, akumulatory wyższej jakości działają dłużej.
Na żywotność akumulatorów litowo-jonowych polimerowych duży wpływ mogą mieć głębokość rozładowania, szybkość ładowania, temperatura oraz wzrost rezystancji wewnętrznej w miarę upływu czasu – wszystkie te czynniki wpływają zarówno na utratę pojemności, jak i na przedwczesne zużycie obwodów.
Akumulatory litowo-polimerowe wykazują mniej gwałtowne rozszerzanie się w przypadku przeładowania niż ich litowo-jonowe odpowiedniki; ich rozszerzanie się jest zazwyczaj mniej zauważalne, a ich trwałość cykliczna przewyższa zazwyczaj inne technologie akumulatorów litowych dzięki unikalnemu elektrolitowi DEE, który zapewnia doskonałą przewodność jonową między elektrodami ujemną i dodatnią, co przekłada się na większą niezawodność i trwałość cykliczną; ponadto ogniwa te są wyposażone w trwałe powłoki na elektrodach, chroniące je przed ścieraniem, co zapewnia dłuższą żywotność i większe bezpieczeństwo – dzięki czemu powstają bezpieczne akumulatory nadające się do szerokiego zakresu zastosowań i urządzeń!
Ładowanie
Prawidłowe ładowanie akumulatorów litowo-polimerowych może być dość skomplikowane. Aby zapewnić prawidłowe ładowanie tych akumulatorów, użytkownicy muszą bezwzględnie przestrzegać instrukcji producenta i korzystać z wydajnej ładowarki; przed pierwszym użyciem w jakimkolwiek urządzeniu akumulatory muszą być w pełni naładowane. Ich wewnętrzna budowa jest złożona, ponieważ proces ładowania wymaga przepływu prądu przez kilka interfejsów, takich jak interfejs katoda–elektrolit, siatka elektrody ujemnej oraz elektrolit. Możliwe jest przeładowanie akumulatorów litowo-polimerowych, dlatego kluczowe znaczenie ma regularne monitorowanie poziomu naładowania, ponieważ czasami może dojść do przeładowania.
Akumulatory litowo-polimerowe zapewniają zarówno wyższe napięcie, jak i większą pojemność energetyczną po pełnym naładowaniu, a ponadto są mniej wrażliwe na zmiany temperatury niż inne rodzaje akumulatorów. Akumulatory litowo-polimerowe można wielokrotnie ładować bez skrócenia ich żywotności; należy jednak ładować je powoli w zamkniętym pomieszczeniu, ponieważ nieprawidłowe ładowanie może doprowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury i spowodować pożar lub wybuch.
W trakcie procesu ładowania jony litu przemieszczają się z elektrody dodatniej do elektrolitu, a następnie do elektrody ujemnej wykonanej z grafitu. Z upływem czasu, w miarę zbliżania się do metalicznego litu, jony te ostatecznie uwalniają się z wiązań grafitowych, tworząc dendryty, które przebijają membranę oddzielającą elektrody dodatnią i ujemną, powodując zwarcie.
Akumulatory litowo-jonowe polimerowe należy ładować przy natężeniu prądu 0,2 C lub niższym, aby zapewnić bezpieczne warunki ładowania. Należy je ładować przez co najmniej 30 minut, aż prąd osiągnie punkt nasycenia – zazwyczaj 10% ich całkowitej pojemności – a następnie do momentu, gdy napięcie na ogniwie osiągnie 4,2 V, co stanowi wartość, przy której należy zakończyć ładowanie.
Przeładowanie akumulatora może spowodować trwałe uszkodzenia, ponieważ tempo ładowania przewyższa tempo procesów interkalacji, co powoduje, że na jego powierzchni gromadzi się zbyt duża liczba jonów. W skrajnych przypadkach przeładowanie może nawet przyspieszyć starzenie się akumulatora.