Літій-полімерний акумулятор

Лі́тій-поліме́рний акумуля́тор (англ. lithium-ion polymer batteries, lithium polymer batteries, скор. Li-Pol, Li-poly, LiPo, LIP) — це різновид літій-іонного електричного акумулятора, який відрізняється від класичного літій-іонного акумулятора типом використаного у ньому електроліту. У випадку з Li-ion — це гелеподібний або рідкий електроліт, у випадку з Li-Pol — спеціальний щільний^[1] полімер, насичений розчином літію^[2].

Літій-іонний полімерний акумулятор мобільного телефону

На сьогодні існує непорозуміння, викликане маркетинговим підходом. Представлені на ринку літій-полімерні акумулятори насправді є звичайними літій-іонними акумуляторами у пластиковому корпусі. Технічно вони 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

Оригінальний тип батарей, що називалися «літій-полімерні», технологічно були 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 у складі активних компонентів електродів. Цей полімер, як правило, складає лише 5 % від загальної ваги акумулятора та не бере 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

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

• Портативні пристрої: мобільні телефони і смартфони, ноутбуки та планшети, цифрові фотоапарати і відеокамери, електронні сигарети, портативні ігрові консолі і ліхтарики;
• Електроінструменти: Літій-іонні батареї використовуються в акумуляторних дрилях, шліфувальних машинах, електропилках і т. д.;
• Електричні транспортні засоби: через свою низьку вагу літій-іонні батарей використовуються для зберігання енергії у електромобілях,велосипедах тощо.
• Широко застосовуються в різноманітних радіокерованих моделях як джерело енергії, значно потіснивши двигуни внутрішнього згоряння

Безпека використання

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 акумулятора, витоку електроліту та навіть загорання^[12].

Напруга і стан заряду

Напруга окремого LiPo елемента залежить від його хімічного складу і коливається від приблизно 4,2 В (повністю заряджений) до приблизно 2,7—3,0 В (повністю розряджений), де номінальна напруга становить 3,6 B або 3,7 В (приблизно середнє значення найвищого та найнижчого значення) для елементів на основі оксидів літію-металу (наприклад, LiCoO2).

Для порівняння: літій-залізо-фосфатний(LiFePO4) елемент від 3,6—3,8 В (повністю заряджений) до 1,8—2,0 В (повністю розряджений).

Точні номінали напруг роботи елемента повинні бути вказані в специфікації продукту, що дозволить правильно спроектувати електронну схему, яка буде запобігати перезаряджанню або повному розряджанню під час його використання.

Акумуляторні батареї з LiPo елементами, з’єднаними послідовно та паралельно, мають окремі контакти для кожного елемента. Спеціалізований зарядний пристрій може контролювати заряд кожного елемента, щоб усі елементи були заряджені до однакової напруги - мали однаковий стан заряду (SOC).

Літієві акумулятори зі справжнім полімерним електролітом

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)^[13].

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.^[14] У той час вважалось, що полімерні акумулятори є найбільш перспективними та те, що вони стануть незамінними.^[15] З часом цей тип акумуляторів був виведений на ринок у 1998 році.^[14] 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^[13]. Хоча ці електроліти і можуть бути сухими на дотик, вони все одно мають у собі від 30 % до 50 % рідкого розчинника.^[16] 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^[17]. Ця система подібна до тої, що розробили Bellcore у 1996^[18], що мала назву «пластиковий» літій-іонний акумулятор (англ. PLiON) та була комерціалізована у 1999 році^[17].

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

• Літій-іонний акумулятор

Примітки

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. Manuel Stephan, A.; Nahm, K. S. (26 липня 2006). Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer. 47 (16): 5952—5964. doi:10.1016/j.polymer.2006.05.069.
4. Murata, Kazuo; Izuchi, Shuichi; Yoshihisa, Youetsu (3 січня 2000). An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries. Electrochimica Acta. 45 (8-9): 1501—1508. doi:10.1016/S0013-4686(99)00365-5.
5. Zhang, Heng; Liu, Chengyong; Zheng, Liping (1 липня 2014). Lithium bis(fluorosulfonyl)imide/poly(ethylene oxide) polymer electrolyte. Electrochimica Acta. 133: 529—538. doi:10.1016/j.electacta.2014.04.099.
6. Sun, Bing; Mindemark, Jonas; Edström, Kristina; Brandell, Daniel (1 вересня 2014). Polycarbonate-based solid polymer electrolytes for Li-ion batteries. Solid State Ionics. 262: 738—742. doi:10.1016/j.ssi.2013.08.014.
7. Zhai, Wei; Zhu, Hua-jun; Wang, Long (1 липня 2014). Study of PVDF-HFP/PMMA blended micro-porous gel polymer electrolyte incorporating ionic liquid [BMIM]BF₄ for Lithium ion batteries. Electrochimica Acta. 133: 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 (ред.). Fast ion Transport in Solids. Electrodes and Electrolytes. North Holland Publishers, Amsterdam.
10. Yazami, Rachid (2009). Chapter 5: Thermodynamics of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries. У Ozawa, Kazunori (ред.). Lithium ion rechargeable batteries. Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1.
11. Nagai, Aisaku (2009). Chapter 6: Applications of Polyvinylidene Fluoride-Related Materials for Lithium-Ion Batteries. У Yoshio, Masaki; Brodd, Ralph J.; Kozawa, Akiya (ред.). 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 (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 19 січня 2017. Процитовано 15 вересня 2016.
13. Scrosati, Bruno (2002). Chapter 8: Lithium polymer electrolytes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (ред.). Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
14. 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.
15. Nishi, Yoshio (2002). Chapter 7: Lithium-Ion Secondary batteries with gelled polymer electrolytes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (ред.). Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
16. Brodd, Ralf J. (2002). Chapter 9: Lithium-Ion cell production processes. У van Schalkwijk, Walter A.; Scrosati, Bruno (ред.). Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-306-47356-9.
17. Tarascon, Jean-Marie; Armand, Michele (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414: 359—367. doi:10.1038/35104644. PMID 11713543.
18. 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. Elsevier. 86—88 (Part 1): 49—54. doi:10.1016/0167-2738(96)00330-X.