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Lithium-Polymer-Batterie
Jun 05, 2018

Geschichte

LiPo-Zellen folgen der Geschichte von Lithium-Ionen- und Lithium-Metall- Zellen, die in den 1980er Jahren intensiv erforscht wurden und 1991 mit der ersten kommerziellen zylindrischen Li-Ionen-Zelle von Sony einen bedeutenden Meilenstein erreichten . Danach entstanden weitere Verpackungsformen, darunter die Beutelformat jetzt auch "LiPo" genannt.

Design Herkunft und Terminologie

Lithium-Polymer-Zellen haben sich aus Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien entwickelt . Der Hauptunterschied besteht darin, dass anstelle eines flüssigen Lithium- Salz- Elektrolyten (wie LiPF6 ), der in einem organischen Lösungsmittel (wie EC / DMC / DEC ) gehalten wird, ein Festpolymerelektrolyt (SPE) wie Poly (ethylenoxid ) (PEO), Polyacrylnitril ( PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyvinylidenfluorid (PVdF).

Der Festelektrolyt kann typischerweise als einer von drei Typen klassifiziert werden: trockene SPE, gelierte SPE und poröse SPE. Die trockene SPE war die erste in Prototypen Batterien, um 1978 von Michel Armand , Domain University, und 1985 von ANVAR und Elf Aquitaine aus Frankreich und Hydro Quebec aus Kanada. Ab 1990 entwickelten mehrere Organisationen wie Mead und Valence in den USA und GS Yuasa in Japan Batterien mit gelierten SPEs. Im Jahr 1996 kündigte Bellcore in den Vereinigten Staaten eine wiederaufladbare Lithium-Polymer-Zelle mit poröser SPE an.

Eine typische Zelle hat vier Hauptkomponenten: positive Elektrode , negative Elektrode, Separator und Elektrolyt . Der Separator selbst kann ein Polymer sein , wie ein mikroporöser Film aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP); Selbst wenn die Zelle einen flüssigen Elektrolyten aufweist, enthält sie daher immer noch eine "Polymer" -Komponente. Zusätzlich dazu kann die positive Elektrode weiter in drei Teile zerlegt werden: das Lithium-Übergangsmetalloxid (wie LiCoO 2 oder LiMn 2 O 4), ein leitfähiges Additiv und ein Polymerbindemittel aus Polyvinylidenfluorid (PVdF). Das negative Elektrodenmaterial kann die gleichen drei Teile haben, nur mit Kohlenstoff, der das Lithium-Metall-Oxid ersetzt.

Arbeitsprinzip

Wie bei anderen Lithium-Ionen-Zellen arbeiten LiPos nach dem Prinzip der Interkalation und De-Interkalation von Lithiumionen aus einem positiven Elektrodenmaterial und einem negativen Elektrodenmaterial, wobei der flüssige Elektrolyt ein leitendes Medium bereitstellt. Um zu verhindern, dass sich die Elektroden direkt berühren, befindet sich dazwischen ein mikroporöser Separator, der nur die Ionen und nicht die Elektrodenteilchen von einer Seite zur anderen wandern lässt.

Aufladen

Die Spannung einer LiPo-Zelle hängt von ihrer Chemie ab und variiert von etwa 2,7-3,0 V (entladen) bis etwa 4,2 V (vollständig geladen), für Zellen auf der Basis von Lithium-Metall-Oxiden (wie LiCoO2) und etwa 1,8-2,0 V (entladen) auf 3,6-3,8 V (geladen) für solche auf Basis von Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4).

Die genauen Spannungswerte sollten in den Produktdatenblättern angegeben werden, wobei zu beachten ist, dass die Zellen durch eine elektronische Schaltung geschützt werden müssen, die eine Überladung oder eine Überentladung bei Verwendung nicht zulässt.

Bei LiPo- Akkupacks mit Zellen, die in Reihe geschaltet sind, kann ein spezielles Ladegerät die Ladung pro Zelle überwachen, so dass alle Zellen auf den gleichen Ladezustand (SOC) gebracht werden.

Druck auf LiPo-Zellen ausüben

Im Gegensatz zu zylindrischen und prismatischen Lithiumionen-Zellen, die ein starres Metallgehäuse haben, haben LiPo-Zellen ein flexibles, folienartiges (Polymerlaminat ) Gehäuse, so dass sie relativ unbeschränkt sind. Die Zellen sind selbst über 20% leichter als entsprechende zylindrische Zellen gleicher Kapazität.

Ein geringes Gewicht ist ein Vorteil, wenn die Anwendung ein minimales Gewicht erfordert, wie es bei ferngesteuerten Flugzeugen der Fall ist . Es wurde jedoch festgestellt, dass ein moderater Druck auf den Schichtstapel, der die Zelle bildet, zu einer erhöhten Kapazitätsretention führt, da der Kontakt zwischen den Komponenten maximiert ist und eine Delaminierung und Deformation verhindert wird, was mit einem Anstieg der Zellimpedanz und -verschlechterung verbunden ist.

Anwendungen

LiPo-Zellen bieten Herstellern überzeugende Vorteile. Sie können leicht Batterien von fast jeder gewünschten Form herstellen. Zum Beispiel können die Raum- und Gewichtsanforderungen von Mobiltelefonen und Notebook-Computern vollständig erfüllt werden. Außerdem haben sie eine niedrige Selbstentladungsrate, die ungefähr 5% pro Monat beträgt.

Funkgesteuerte Ausrüstung und Airsoft

LiPo-Batterien haben in der Welt der funkgesteuerten Flugzeuge , ferngesteuerten Autos und großen Modelleisenbahnen, wo die Vorteile von geringerem Gewicht und erhöhter Kapazität und Leistungsabgabe den Preis rechtfertigen, soeben übernommen . Prüfberichte warnen vor der Brandgefahr, wenn die Batterien nicht gemäß den Anweisungen verwendet werden.

Ab Mitte 2016 gibt es LiPo-Packs mit 1,3 Ah, die eine kontinuierliche 95C- Entladung und kurzzeitige 190C- Bursts bieten. Im März 2017 waren LiPo-Packs in verschiedenen Konfigurationen verfügbar, am häufigsten bis zu 6400 mAh, wodurch eine maximale 4,2 V / Zelle erreicht wurde. zur Versorgung bestimmter RC-Fahrzeuge und Hubschrauber oder Drohnen. Einige Prüfberichte warnen vor Brandgefahr, wenn die Batterien nicht gemäß den Anweisungen verwendet werden.

LiPo-Packs werden auch in Airsoft weit verbreitet verwendet , wo ihre höheren Entladungsströme und die bessere Energiedichte im Vergleich zu herkömmlicheren NiMH- Batterien einen sehr bemerkenswerten Leistungsgewinn (höhere Feuerrate) haben. Die hohen Entladeströme beschädigen die Schaltkontakte aufgrund von Lichtbogenbildung (wodurch die Kontakte oxidieren und häufig Kohlenstoff ablagern), daher wird empfohlen, entweder einen Festkörper- MOSFET- Schalter zu verwenden oder die Auslösekontakte regelmäßig zu reinigen.

Persönliche Elektronik

LiPo-Batterien sind in Mobiltelefonen , Tablet-Computern , Powerbänken , sehr dünnen Laptop-Computern , tragbaren Medienabspielgeräten , drahtlosen Steuervorrichtungen für Videospielkonsolen, elektronischen Zigaretten und anderen Anwendungen, in denen kleine Formfaktoren gesucht werden, allgegenwärtig und die hohe Energiedichte überwiegt Kostenüberlegungen .

Elektrische Fahrzeuge

Lithium-Ionen-Zellen im Beutelformat werden untersucht, um Batterie-Elektrofahrzeuge anzutreiben . Während es möglich ist, eine große Anzahl von Zellen mit geringer Kapazität zu verwenden, um die erforderliche Leistung und Energie zum Antrieb eines Fahrzeugs zu erhalten, suchen einige Hersteller und Forschungszentren nach großformatigen Lithium-Ionen-Zellen mit Kapazitäten von mehr als 50 Ah Mit einem höheren Energiegehalt pro Zelle würde die Anzahl von Zellen und elektrischen Verbindungen in einem Batteriepaket sicherlich abnehmen, aber die Gefahr, die mit einzelnen Zellen von solch hoher Kapazität verbunden ist, könnte größer sein.

Hyundai Motor Company verwendet diese Art von Batterie in einigen ihrer Hybridfahrzeuge , sowie Kia Motors in ihrer batterieelektrischen Kia Soul. Die Bolloré Bluecar , die in Carsharing-Systemen in mehreren Städten verwendet wird, verwendet auch diese Art von Batterie.

Leichtflugzeuge und selbststartende Segelflugzeuge werden produziert, wie der Alisport Silent 2 Electro und der Pipistrel WATTsUP. Einige größere Segelflugzeuge wie Schempp-Hirth Ventus-2 verwenden die Technologie für sich selbst tragende Motoren

Sicherheit

LiPo-Zellen sind von den gleichen Problemen betroffen wie andere Lithium-Ionen-Zellen. Dies bedeutet, dass Überladung, Überentladung, Übertemperatur, Kurzschluss , Quetschung und Nageleintritt zu einem katastrophalen Versagen führen können, einschließlich des Reißens des Beutels, des Elektrolytlecks und des Feuers.

Alle Li-Ionen-Zellen dehnen sich aufgrund einer leichten Verdampfung des Elektrolyten bei hohen Werten des Ladezustands (SOC) oder Überladung aus. Dies kann zu einer Delaminierung und somit zu einem schlechten Kontakt der inneren Schichten der Zelle führen, was wiederum eine verminderte Zuverlässigkeit und Gesamtlebensdauer der Zelle zur Folge hat. Dies ist für LiPOs, die sich aufgrund des Fehlens eines harten Gehäuses sichtbar aufblasen können, sehr auffällig um ihre Expansion einzudämmen.

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Einen Vergleich mit LFP- Zellen / Batterien zu diesem Thema finden Sie unter LiFe-Zellensicherheit

 

Lithiumzellen mit festem Polymerelektrolyt

Zellen mit festen Polymerelektrolyten haben die volle Kommerzialisierung noch nicht erreicht und sind immer noch Gegenstand der Forschung. Prototypenzellen dieses Typs könnten als zwischen einer herkömmlichen Lithiumionenbatterie (mit flüssigem Elektrolyten) und einem vollständig plastischen Feststoff betrachtet werden Lithium-Ionen-Akku .

Der einfachste Ansatz ist die Verwendung einer Polymermatrix wie Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Polyacrylnitril ( PAN), geliert mit herkömmlichen Salzen und Lösungsmitteln, wie LiPF6 in EC / DMC / DEC .

Nishi erwähnt, dass Sony 1988 mit der Forschung an Lithium-Ionen-Zellen mit gelierten Polymer-Elektrolyten (GPE) begonnen hat, bevor die Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Zelle 1991 kommerzialisiert wurde. Zu dieser Zeit waren Polymerbatterien vielversprechend und es schien Polymerelektrolyten zu werden unverzichtbar. Letztendlich kam dieser Zelltyp 1998 auf den Markt. Scrosati argumentiert jedoch, dass gelierte Membranen im strengsten Sinne nicht als "echte" Polymerelektrolyte klassifiziert werden können, sondern eher als Hybridsysteme, bei denen die flüssigen Phasen im Polymer enthalten sind Obwohl diese Polymerelektrolyten sich trocken anfühlen können, können sie immer noch 30% bis 50% flüssiges Lösungsmittel enthalten. Wie man wirklich definiert, was eine "Polymerbatterie" ist, bleibt eine offene Frage.

Andere in der Literatur für dieses System verwendete Begriffe umfassen Hybridpolymerelektrolyt (HPE), wobei "Hybrid" die Kombination der Polymermatrix, des flüssigen Lösungsmittels und des Salzes bezeichnet. Es war ein solches System, das Bellcore 1996 zur Entwicklung einer frühen Lithium-Polymer-Zelle verwendete, die als "plastische" Lithium-Ionen-Zelle (PLiON) bezeichnet und 1999 vermarktet wurde.

Ein fester Polymerelektrolyt (SPE) kann zum Beispiel eine Verbindung von Lithiumbis (fluorsulfonyl) imid (LiFSI) und Polyethylenoxid mit hohem Molekulargewicht (PEO) oder ein Poly (trimethylencarbonat) mit hohem Molekulargewicht (PTMC ).

Die Leistung dieser vorgeschlagenen Elektrolyte wird gewöhnlich in einer Halbzellenkonfiguration gegen eine Elektrode aus metallischem Lithium gemessen , was das System zu einer " Lithium-Metall " -Zelle macht, aber es wurde auch mit einem üblichen Lithium-Ionen-Kathodenmaterial wie Lithium getestet -eisenphosphat (LiFePO4).

Andere Versuche, eine Polymerelektrolytzelle zu entwerfen, umfassen die Verwendung von anorganischem   ionische Flüssigkeiten wie 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat ([BMIM] BF4) als Weichmacher in einer mikroporösen Polymermatrix wie Poly (vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) / Poly (methylmethacrylat) (PVDF-HFP / PMMA).

Hochspannungszellen mit Silizium-Graphen-Additiv

Die neue Li-Ionen-Batteriezellentechnologie hat ein Silizium- Graphen- Additiv eingeführt, das dazu beiträgt, den positiven Anschluss während des Entladens zu bewahren und somit die Langlebigkeit und Zyklusdauer der Zellen zu erhöhen. Ein inhärenter Nebeneffekt beim Betrieb einer 3,7 V Li-Ion-Zelle über 4,2 V ist eine verringerte Zykluslebensdauer mit erhöhtem Innenwiderstand .

Studien haben gezeigt, dass die schlechte Kapazitätserhaltung und die verringerte Lebensdauer einer Li-Ionen-Zelle exponentiell zunimmt, wenn sie über 4,2 V aufgeladen wird, insbesondere aufgrund der Korrosion des positiven Anschlusses. Das Silizium-Graphen-Additiv hilft, die Korrosion des positiven Anschlusses zu reduzieren, wenn es bis zu Spannungen von 4,35 V oder mehr aufgeladen wird.

Der Vorteil des Ladens bei einer maximalen Spannung von 4,35 V ist eine Erhöhung der Energiedichte um etwa 10% im Vergleich zum Laden einer herkömmlichen 3,7 V-Zelle derselben Größe und desselben Gewichts bei 4,2 V. Li-Ionen-Zellen, die als "Hochspannung" markiert sind kompatibel, wenn sie bis zu 4,35 V geladen sind, haben sie eine vergleichbare Zykluslebensdauer wie Standard-3,7-V-Zellen. Eine Standard-3,7-V-Zelle sollte niemals über 4,2 V geladen werden, da dies zu Schäden und / oder Feuer führen kann.