Литий-полимерная батарея

Литий-полимерные аккумуляторы (также известные как LiPo) становятся все более популярным выбором в мире радиоуправления. Предлагая длительное время работы и превосходную энергоемкость, эти легкие литий-полимерные элементы обеспечивают большее удобство.

Они имеют превосходный рейтинг C, что делает их подходящими для приложений, требующих быстрых всплесков скорости, таких как гонки дронов.

Неводные иономеры, наполненные растворителями, которые связывают анионы с полимерными мембранами, продемонстрировали улучшенные характеристики литий-полимерных батарей за счет уменьшения дендритного осаждения.

Электролит

Литий-ионные аккумуляторы - незаменимый источник энергии для таких электронных устройств, как мобильные телефоны, компьютеры и планшетные ПК. Хотя литий-ионные батареи прекрасно справляются с задачей обеспечения энергией этих устройств, они также имеют ряд ограничений, которые часто негативно сказываются на производительности. Литий-полимерные батареи предлагают альтернативу, полностью отказываясь от использования жидкого электролита в пользу твердого электролита, исключая физическое повреждение или тепловой удар, которые могут повредить жидкие батареи, и предлагая вместо них твердые электролиты.

Твердые полимерные электролиты (ТПЭ) имеют более низкие точки кипения, чем органические жидкие электролиты, и могут быть сделаны более гибкими за счет встраивания в них нановолокон, благодаря чему литий-полимерные батареи могут компактнее, чем обычно, помещаться в кредитные карты. Кроме того, благодаря более тонким SPE, используемым в полимерных батареях по сравнению с обычными литий-ионными, их емкость может даже удвоиться.

Твердотельные электролиты имеют множество преимуществ перед батареями с жидким электролитом, в частности, время изготовления. Традиционные батареи обычно включают в себя несколько этапов, таких как изготовление материалов для положительных и отрицательных электродов перед сборкой с сепараторами и добавлением жидкого электролита; в отличие от них, литий-полимерные батареи часто можно собрать за один этап.

Литий-полимерные батареи обеспечивают дополнительную безопасность. Поскольку в них не используется жидкий электролит, литиевые полимеры менее уязвимы к проблемам, вызванным высоким уровнем заряда (SOC) или перезаряда. Типичный жидкий аккумулятор при воздействии циклов SOC/перезаряд расширяется из-за небольшого испарения электролита; это расширение часто приводит к образованию трещин на границе электрод-электролит и межфазных расстояниях, а механические напряжения, вызванные этим процессом расширения, приводят к деградации внутренних слоев элементов или неблагоприятным металлическим электроосаждениям, таким как дендриты.

Ши и др. сосредоточили свои исследовательские усилия на создании SPE, которые могут преодолеть эти проблемы, создав 3D самособирающийся SPE с использованием ионной жидкости, соединенной с целлюлозой, который имеет впечатляющую ионную проводимость 2,0×10-4 S/cm при 25degC и отличные механические свойства. Кроме того, целлюлоза укрепляет структурную целостность SPE, формируя сильную координацию лития, способствующую растворению литиевой соли, что улучшает общий ионный транспорт и предотвращает утечку IL.

Катод

Катод батареи служит отрицательным электродом, отводящим электроны от положительного электрода во время разряда. Материалы для катода обычно изготавливаются на основе углерода, например графита или кремния; графит, как правило, используется чаще из-за его более низкой стоимости, высокой электропроводности и стабильности, в то время как кремний обеспечивает более высокую плотность энергии. Существуют различные итерации материалов катода, используемых сегодня, которые стремятся к балансу между плотностью энергии и сроком службы.

Анод - это положительный электрод в аккумуляторе, служащий для поглощения положительно заряженных ионов лития во время зарядки. К распространенным материалам анодов относятся никель-кобальтовые сплавы, которые обеспечивают хороший баланс между плотностью энергии и сроком службы; они дешевле, чем варианты из чистого никеля, с более низкой температурой плавления и кипения, что делает их пригодными для использования при высоких температурах автомобильных батарей.

Зарядка происходит путем подачи на каждый элемент повышенного напряжения от внешнего источника питания, заставляя электроны переходить с положительного электрода на отрицательный и интеркалируя ионы лития с материалом анода для интеркаляции. После зарядки емкость батареи медленно увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут предел напряжения заряда каждого элемента.

Литий-ионные батареи получили определенную известность из-за своей склонности к самовозгоранию, однако их риск остается относительно низким. Чаще всего в таких батареях наблюдается тепловой выброс, при котором отрицательный электрод нагревается до того, что начинает окисляться и потенциально воспламеняться, что в конечном итоге приводит к взрыву или пожару в цепной реакции, которая приводит к взрыву или пожару в аккумуляторном блоке.

Литий-ионные элементы с твердыми полимерными электролитами могут помочь снизить риск теплового разряда. Такие электролиты состоят из пластикоподобных пленок, которые заменяют традиционные пористые сепараторы в порах, пропитанных органическими растворителями; обычно они состоят из одного из нескольких полимеров, таких как акрилонитрил, бутират или поливинилиденфторид (PVdF).

Анод

Литий в чистом виде является высокореактивным элементом. Чтобы избежать взаимодействия с водой и выделения водородного газа, который может привести к взрыву батареи, в литий-ионных аккумуляторах используются неводные электролиты, состоящие из солей лития в полимерах, таких как этиленкарбонат или пропиленкарбонат - четыре ключевых компонента, составляющих один элемент батареи в данном случае.

Катоды в литиевых батареях состоят из оксида металла, а аноды - из пористого углерода. При разрядке ионы лития перемещаются от анода через электролит и сепаратор к катоду через электролит для производства электрической энергии. И наоборот, во время зарядки они возвращаются через анод обратно в катод, что обеспечивает большую мощность.

Как катоды, так и аноды аккумуляторных батарей изготавливаются из синтетических соединений, которые измельчаются до мелких частиц, затем смешиваются со связующими веществами и растворителями и наносятся на металлическую фольгу (обычно алюминиевую для анода и медную для катода). После нанесения на поверхность металлической фольги эти смеси распределяются сверху и высушиваются в печи, чтобы закрепить их структуру, удалить остатки связующего/растворителя и создать микропористую пленку, проницаемую для ионов лития.

Анод обычно состоит из никель-кобальтового оксида (NiCoO2) или литий-марганцевого диоксида (LiMn2O4); оба материала стоят дешевле кобальта и легко обратимо окисляются до естественного состояния никеля и марганца. Кубическая структура решетки Li-LiMn2O4 способствует трехмерной диффузии ионов лития в кристаллы и из них; во время разряда один ион лития на два иона Mn попадает в эти кристаллы, а при зарядке один ион лития удаляется из одного на два иона Mn, которые затем извлекаются обратимым образом во время зарядки.

В некоторых батареях используются пластиковые проводящие углеродные аноды, которые намного дешевле и имеют меньшую циклическую способность и емкость, чем металлические литиевые аноды. Тем не менее, они являются привлекательным вариантом утилизации, поскольку вам не нужно проходить дорогостоящие и трудоемкие процессы очистки; однако это приводит к накоплению металлического лития на их поверхности, что со временем снижает емкость.

Термическое бегство

Тепловой разрыв литий-полимерной батареи происходит, когда ее внутренние химические реакции становятся самоподдерживающимися, выделяя тепло и энергию с экспоненциально возрастающей скоростью. На этом этапе внутри батареи быстро повышается давление, образуются газы, которые вызывают расширение ячеек, что приводит к разрыву фольгированной упаковки батареи и выбросу большого количества горючих газов, опасных для жизни человека.

Тепловой разряд может быть вызван множеством факторов, включая перезарядку батареи, воздействие на нее высоких температур, механическую поломку или внутреннее/внешнее короткое замыкание. Это внезапное событие, которое трудно контролировать, и в конечном итоге оно приводит к разрушению батареи из-за дестабилизации и разрушения органических материалов лития, что создает опасно быстрое повышение температуры, вызывающее внутренний нагрев внутри элементов батареи и приводящее к процессу теплового разряда.

Все литий-ионные батареи выделяют некоторое количество тепла, но если скорость выделения этого тепла превышает скорость его рассеивания, то внутренняя температура батареи будет расти в геометрической прогрессии до тех пор, пока не будет потеряна стабильность. В этот момент внутренняя ячейка разбухает, поскольку разрушается ее сепараторная структура, что приводит к контакту электродов между собой и вызывает экзотермические химические реакции, которые быстро ускоряют рост температуры, выделяя огромное количество тепла, которое еще больше повышает температуру ячейки, пока не произойдет тепловой разрыв.

Снижение теплового разгона может быть почти непреодолимой проблемой, и именно здесь на помощь приходят такие средства защиты, как отключение сепаратора - они отключают транспортировку лития, что останавливает процесс теплового разгона, хотя для этого может потребоваться некоторое время; пока это время не наступит, температура батареи продолжает неуклонно расти.

Поэтому, чтобы свести к минимуму риск этого события и более эффективно защитить батареи от теплового разгона, одной из эффективных стратегий является хранение их в батарейном шкафу, оснащенном температурными датчиками, которые отслеживают температуру внутренних элементов и могут вмешаться до того, как они достигнут порога теплового разгона. Эти шкафы также оснащены коммуникационными возможностями, позволяющими принимать решения о зарядке, хранении и обслуживании на основе данных.