Літій-полімерний акумулятор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Літій-іонний полімерний акумулятор мобільного телефону

Лі́тій-поліме́рний акумуля́тор (англ. lithium-ion polymer batteries, lithium polymer batteries, скор. Li-Pol, Li-poly, LiPo, LIP) — один з запропонованих типів літієвих електричних акумуляторів з категорії вторинних електричних батарей, який відрізняється від звичайного літій-іонного акумулятора лише типом електроліту, що використовується при їх виготовленні. У випадку з Li-ion — це гелеподібний або рідкий електроліт, у випадку з Li-Pol — спеціальний щільний[1] полімер, насичений розчином літію.[2]

На сьогодні існує непорозуміння, викликане маркетинговим підходом. Представлені на ринку літій-полімерні акумулятори насправді є звичайними літій-іонними акумуляторами у пластиковому корпусі та технічно відрізняються лише зовнішньою формою та оболонкою (так званий pouch-bag формат). Реальні літій-полімерні акумулятори через свої надзвичайно низькі характеристики не були представлені для продажу на ринку[3][4], хоча через їх перспективні переваги роботи по їх дослідженню та розробці проводяться і надалі.[5][6][7]

Походження дизайну та термінології[ред.ред. код]

Оригінальний тип батарей, що називались «літій-полімерні», технологічно біли подальшим розвитком звичайних літій-іонних акумуляторів та літієвих батарей. Головною відмінністю було використання щільного полімерного електроліту (англ. solid polymer electrolyte, SPE), наприклад, поліетиленгліколю, поліакрилонітрилу, оргскла (поліметилметакрилат) або полівіниліденфториду, замість електроліту з солями літія (наприклад, LiPF6), що містяться у органічному розчиннику таких як етиленкарбонат ((CH2O)2CO), диметилкарбонат або диетилкарбонат (OC(OCH2CH3)2)[3]

Твердий електроліт може бути поділений на три наступних види: сухий, гелевий та пористий. Сухий електроліт був першим, що використовувався у прототипах батарей у 1978 році Мішелем Армандом[8][9] та у 1985 році компаніями ANVAR, Elf Aquitaine та Hydro Quebec[4]. З 1990 року кілька організацій, зокрема такі як Mead та Valence з США та GS Yuasa з Японії, розробили акумулятори з гелевим полімерним електролітом.[4] У 1996 році компанія Bellcore оголосила про створення літій-полімерного акумулятора з використанням пористого твердого полімерного електроліту[4].

Паралельно до розвитку «полімерного електроліту» термін «літій-полімерний акумулятор» почав використовуватись для звичайних літій-іонних акумуляторів у гнучкому корпусі-«мішечку» (англ. pouch bag). Приблизний час появи таких акумуляторів на ринку побутової електроніки був 1995 рік.

Плутанина у назві може походити від непорозуміння з конструкційної точки зору звичайного літій-іонного елемента. Типовий акумулятор складається з чотирьох основних компонентів: позитивний електрод (катод), негативний електрод (анод), сепаратор та електроліт. Власне сепаратор може бути полімерним та представляти собою мікропористу плівку з поліетилену або поліпропілену, таким чином навіть акумулятор з рідким електролітом містить «полімерний» компонент. Додатково власне катод може бути розділений на три частини — оксиди літію (такі як LiCoO2 чи LiMn2O4), струмопровідна додаткова частина та полімерний зв'язувач з полівіниліденфториду[10][11]. Анод також може містити три складові, за винятком того, що замість оксиду літію застосовується вуглець[10][11]

Таким чином, навіть за відсутності полімерного сепаратора та будь-якого електроліту, акумулятор може містити «полімерний» компонент в складі активних компонентів електродів. Цей полімер, як правило, складає лише 5 % від загальної ваги акумулятора та не приймає жодної участі в електрохімічних реакціях, а використовується виключно для з'єднання активних частин для підтримки електропровідності та надійності з'єднання між міддю та алюмінієм, що є струмоприймачем батареї.[11]

Застосування[ред.ред. код]

Трьохелементний літій-полімерний акумулятор 1300 мА/год. , 11,1 Вольт встановлений на радіокерованій моделі літака

Безпека використання[ред.ред. код]

Літій-іонні полімерні акумулятори мають ті ж самі проблеми, що й інші види літій-іонних акумуляторів. Перезарядження, низький розряд, надмірний перегрів, внутрішнє коротке замикання, пробивання корпусу можуть привести до руйнування аккумулятора, витоку електроліту та навіть загоряння[12].

Всі літій-іонні акумулятори розширяються при високих рівнях заряду чи за умови перезаряду через незначне випаровування електроліту. Це може призвести до розшарування та, як наслідок, поганого контакту внутрішніх шарів акумулятора, що, у свою чергу, призводить до меншої надійності та загальної тривалості життя акумулятора[13]. Для літій-полімерних акумуляторів це розширення може бути помічене візуально через відсутність твердого корпусу.

Літієві акумулятори зі справжнім полімерним електролітом[ред.ред. код]

Хоча назва «літій-полімерні» застосовується переважно до літій-іонних акумуляторів у гнучкому корпусі (англ. pouch format), що містить рідкий електроліт існують також і акумулятори зі справжнім полімерним електролітом, які, тим не менш, так і не були комерціалізовані та досі є темою досліджень. Прототипами таких акумуляторів можна вважати ті, що є проміжними між традиційними літій-іонними та повністю пластиковими акумуляторами (англ. solid-state lithium-ion battery)[14]

Простіший підхід — це використання полімерної матриці з полівіниліденфториду або поліакрилонітрилу, заповненою гелем зі звичайними солями та розчинниками (наприклад, згадана вище LiPF6 у етиленкарбонаті, диметилкарбонаті або диетилкарбонаті). Ніші згадує, що Sony розпочала розробки літій-іонних акумуляторів з гелевим полімерним електролітом у 1988 році, ще до комерціалізації звичних на сьогодні акумуляторів з рідким електролітом у 1991 році.[15] У той час вважалось, що полімерні акумулятори є найбільш перспективними та те, що вони стануть незамінними.[16] З часом цей тип акумуляторів був виведений на ринок у 1998 році.[15] Однак Скорсаті аргументує, що, за умови суворого дотримання термінології, заповнені гелем мембрани не можна вважати «справжніми» полімерними електролітам, радше гібридними системами, де електроліт у рідкій фазі утримується у полімерній матриці.[14] Хоча ці електроліти і можуть бути сухими на дотик, вони все одно мають у собі від 30 % до 50 % рідкого розчинника.[17] З огляду на таку позицію питання визначення «полімерного акумулятора» залишається відкритим.

Інший термін, що застосовується у літературі для даної системи включає назву «гібридний полімерний електроліт» (англ. hybrid polymer electrolyte), у якому слово «гібрид» позначає комбінацію полімерної матриці, рідкого розчинника та солі.[18] Ця система подібна до тої, що розробили Bellcore у 1996,[19] що мала назву «пластиковий» літій-іонний акумулятор (англ. PLiON) та була комерціалізована у 1999 році.[18]

Щільним полімерним електролітом може бути, наприклад, суміш літій-біс-(флорсульфоніл)іміду (LiFSI) з високомолекулярним поліетиленгліколем,[5] чи високомолекулярним політриметил карбонатом (PTMC).[6]

Ефективність таких електролітів зазвичай вимірюється в півелементній конфігурації (англ. half-cell configuration) з використанням як другого електроду металічного літію, створюючи систему подібну до літієвої батареї, але також виконуються тести з типовими катодними матеріалами для літій-іонних акумуляторів, таких як LiFePO4.

Інший підхід до створення акумулятора з полімерними електролітом полягає у використанні неорганічної іонної рідини, наприклад, 1-бутил-3-метилімідазоліум тетрафлороборат (англ. 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [BMIM]BF4) як пластифікатора в мікропористій полімерній матриці з полівінилідена флорида-ко-гексафлоропропілена/поліметилметакрилата(англ. poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/poly(methyl methacrylate), PVDF-HFP/PMMA).[7]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. В англійській мові використовується термін solid polymer electrolyte. Слово solid тут у технічному значені має сенс не рідкий, а не просто тверде тіло, оскільки тепер існують гелеві-тверді гібриди, які все одно описуються словом solid
  2. Шембель О. М., Білогуров В. А. Основні характеристики сучасних хімічних джерел струму різних електрохімічних систем // Сучасна спеціальна техніка. Науково-практичний журнал. — № 2(17), 2009. (с.:66-86)
  3. а б Manuel Stephan, A.; Nahm, K. S. (26 July 2006). Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer 47 (16). с. 5952–5964. doi:10.1016/j.polymer.2006.05.069. 
  4. а б в г Murata, Kazuo; Izuchi, Shuichi; Yoshihisa, Youetsu (3 January 2000). An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries. Electrochimica Acta 45 (8-9). с. 1501–1508. doi:10.1016/S0013-4686(99)00365-5. 
  5. а б Zhang, Heng; Liu, Chengyong; Zheng, Liping (1 July 2014). Lithium bis(fluorosulfonyl)imide/poly(ethylene oxide) polymer electrolyte. Electrochimica Acta 133. с. 529–538. doi:10.1016/j.electacta.2014.04.099. 
  6. а б Sun, Bing; Mindemark, Jonas; Edström, Kristina; Brandell, Daniel (1 September 2014). Polycarbonate-based solid polymer electrolytes for Li-ion batteries. Solid State Ionics 262. с. 738–742. doi:10.1016/j.ssi.2013.08.014. 
  7. а б Zhai, Wei; Zhu, Hua-jun; Wang, Long (1 July 2014). Study of PVDF-HFP/PMMA blended micro-porous gel polymer electrolyte incorporating ionic liquid [BMIM]BF4 for Lithium ion batteries. Electrochimica Acta 133. с. 623–630. doi:10.1016/j.electacta.2014.04.076. 
  8. M.B. Armand; J.M. Chabagno; M. Duclot (20–22 September 1978). Extended Abstracts. Second International Meeting on Solid Electrolytes. St. Andrews, Scotland. 
  9. M.B. Armand, J.M. Chabagno & M. Duclot (1979). Poly-ethers as solid electrolytes. У P. Vashitshta; J.N. Mundy & G.K. Shenoy. Fast ion Transport in Solids. Electrodes and Electrolytes. North Holland Publishers, Amsterdam. 
  10. а б Yazami, Rachid (2009). Chapter 5: Thermodynamics of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries. У Ozawa, Kazunori. Lithium ion rechargeable batteries. Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1. 
  11. а б в Nagai, Aisaku (2009). Chapter 6: Applications of Polyvinylidene Fluoride-Related Materials for Lithium-Ion Batteries. У Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya. Lithium-ion batteries. Springer. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7. 
  12. Графік з інцидентами з батареями від FAA, дані на 11 грудня 2007 року
  13. Vetter, J.; Novák, P.; Wagner, M.R.; Veit, C. (9 September 2005). Ageing mechanisms in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources 147 (1-2). с. 269–281. doi:10.1016/j.jpowsour.2005.01.006. 
  14. а б Scrosati, Bruno (2002). Chapter 8: Lithium polymer electrolytes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno. Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9. 
  15. а б Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya, ред. (2009). Lithium-ion batteries. Springer. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7. 
  16. Nishi, Yoshio (2002). Chapter 7: Lithium-Ion Secondary batteries with gelled polymer electrolytes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno. Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9. 
  17. Brodd, Ralf J. (2002). Chapter 9: Lithium-Ion cell production processes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno. Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9. 
  18. а б Tarascon, Jean-Marie; Armand, Michele (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 414. с. 359–367. doi:10.1038/35104644. PMID 11713543. 
  19. Tarascon, J.-M.; Gozdz, A. S.; Schmutz, C.; Shokoohi, F.; Warren, P. C. (July 1996). Performance of Bellcore's plastic rechargeable Li-ion batteries. Solid State Ionics. 86-88 (Part 1) (Elsevier). с. 49–54. doi:10.1016/0167-2738(96)00330-X.