Lityum polimer pil

Lityum polimer pil veya daha doğrusu lityum-iyon polimer pil ( LiPo, LIP, Li-poly, lithium-poly), sıvı elektrolit yerine jel polimer elektrolit kullanan, lityum-iyon teknolojisine sahip şarj edilebilir bir pildir. Bu piller, diğer lityum pil türlerinden daha yüksek özgül enerji sağlar ve mobil cihazlar, radyo kontrollü uçaklar ve bazı elektrikli araçlar gibi ağırlığın kritik bir özellik olduğu uygulamalarda kullanılır.
Tarih
LiPo hücreler, lityum-iyon ve lityum-metal pillerin tarihini takip ediyor. Bundan sonra, düz kese formatı da dahil olmak üzere diğer ambalaj formları gelişti.
Tasarım ve terminoloji
Lityum polimer hücreler, lityum iyon ve lityum metal pillerden evrimleşmiştir. Farkı pilin organik bir solventte ( EC / DMC / DEC gibi) tutulan lityum tuzu elektrolit ( LiPF <sub id="mwLw">6</sub> gibi) yerine poli(etilen) oksit) (PEO), poli(akrilonitril) (PAN), poli(metil metakrilat) (PMMA) veya poli(viniliden florür) (PVdF) gibi katı polimer elektrolit (SPE)ler kullanmasıdır.
Katı elektrolit tipik olarak üçe ayrılır: kuru SPE, jelleşmiş SPE ve gözenekli SPE. Kuru SPE prototip pillerde ilk kez 1978'de Michel Armand, 1985'te ANVAR ve Fransa'dan Elf Aquitaine ve Kanada'dan Hydro-Québec tarafından kullanıldı. 1990'dan itibaren Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Mead ve Valence ve Japonya'daki GS Yuasa gibi birkaç kuruluş, jelleşmiş SPE'ler kullanan piller geliştirdi. 1996'da Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bellcore, gözenekli SPE kullanan şarj edilebilir bir lityum polimer hücreyi duyurdu.
Tipik bir hücrenin dört ana bileşeni vardır: pozitif elektrot, negatif elektrot, ayırıcı ve elektrolit. Ayırıcı, mikro gözenekli bir polietilen (PE) veya polipropilen (PP) gibi bir polimer filmi olabilir. Buna ek olarak, pozitif elektrot ayrıca üç kısma ayrılabilir: lityum geçiş-metali oksit (LiCoO 2 veya LiMn2O4 gibi). Negatif elektrotta lityum metal oksit yerine karbon kullanılabilir. Lityum iyon polimer hücreler ile lityum iyon hücreler arasındaki temel fark, elektrolitin fiziksel fazıdır; öyle ki LiPo hücreler kuru, katı veya jelimsi elektrolitler kullanırken Li-ion hücreler sıvı elektrolitler kullanır.
Çalışma prensibi
Tıpkı diğer lityum-iyon hücrelerde olduğu gibi, LiPo'lar, lityum iyonlarının interkalasyonu ve de-interkalasyonu ilkesi üzerinde çalışır. Elektrotların doğrudan birbirine temas etmesini önleyen, sadece iyon geçişine izin veren mikro gözenekli bir ayırıcı bulunur.
Voltaj ve şarj durumu
Tek bir LiPo hücresinin voltajı kimyası ve şarj durumuna göre değişir; lityum-metal oksitlere (LiCoO 2 gibi) dayalı hücreler için yaklaşık 4,2 V (tamamen şarjlı) ile yaklaşık 2,73,0 V (tamamen boşalmış) ortalama 3,6 veya 3,7 arasındadır. Bu, lityum-demir-fosfat (LiFePO 4 ) bazlı olanlar için 3,63,8 V (yüklü) ila 1,82,0 V (deşarj durumu) ile karşılaştırılabilir.
Pillerin kullanımı aşırı şarjı elektronik devre ile korunması gerektiği anlayışıyla, tam voltaj değerleri ürün veri sayfalarında belirtilmelidir.
Hücrelerin seri ve paralel bağlı olduğu LiPo pil paketleri, her hücre için ayrı pin çıkışlarına sahiptir. Özel bir şarj cihazı, şarjı hücre bazında izleyebilir, böylece tüm hücreler aynı şarj durumuna getirilir.
LiPo hücrelerine baskı uygulamak
Sert bir metal kasaya sahip lityum-iyon silindirik ve prizmatik hücrelerin aksine, LiPo piller esnek, folyo tipi ( laminat ) bir kasaya sahiptir, bu nedenle nispeten serbesttirler. Hücreyi oluşturan katman yığını üzerindeki orta dereceli basınçla bileşenler arasındaki temas maksimize edilir ve hücre empedansı ve bozulmasının artmasıyla ilişkili olan delaminasyon ve deformasyon önlenir ve kapasitenin korunmasına yardım eder.
Uygulamalar
LiPo hücreleri, üreticilere istenilen hemen her şekle sahip, hafif pilleri üretebilme gibi avantajlar sağlar. Örneğin mobil cihazların ve notebook bilgisayarların alan ve ağırlık gereksinimleri bu şekilde karşılanabilmektedir. Ayrıca, ayda yaklaşık %5 olan kendi kendine deşarj olma oranları da düşüktür.
Dronlar, Radyo kontrollü ekipman ve uçaklar
LiPo piller, düşük ağırlık, artmış kapasite ve güç sağlama avantajlarıyla ticari ve hobi uçağı radyo kontrollü uçaklar, radyo kontrollü arabalar, insansız hava araçları ve büyük ölçekli model trenlere güç sağlamak için kullanılabilir. Piller talimatlara uygun olarak kullanılmadığında yangın riskine karşı kullanıcılar uyarılır.
Radyo kontrollü modellerde kullanılan LiPo pilin uzun süreli saklanması için voltaj 3,6~3,9V aralığında olmalıdır, aksi takdirde pil zarar görebilir.
LiPo paketleri ayrıca, NiMH pillere kıyasla daha yüksek deşarj ve daha iyi enerji yoğunluğunun belirgin bir performans kazancına sahip olduğu airsoft'ta yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kişisel elektronik
LiPo piller, mobil cihazlar, güç bankaları, çok ince dizüstü bilgisayarlar, taşınabilir medya oynatıcıları, video oyun konsolları için kablosuz denetleyiciler, kablosuz PC çevre birimleri, elektronik sigaralar ve küçük form faktörlerinin arandığı ve yüksek enerji yoğunluğunun maliyetten daha ağır bastığı diğer uygulamalarda yaygındır.
Elektrikli araçlar
Hyundai Motor Company, bu tür pili bazı elektrikli ve hibrit ve Kia Motors Kia Soul'da kullanıyor. Birkaç şehirde araç paylaşım programlarında kullanılan Bolloré Bluecar da bu tip pil kullanıyor.
Kesintisiz güç kaynağı sistemleri
Lityum-iyon aküler, Kesintisiz güç kaynağı (UPS) sistemlerinde giderek yaygınlaşıyor. Geleneksel VRLA aküsüne göre çok sayıda avantaj sunarlar. Güç-boyut ve ağırlık oranları, alanın genellikle önemli olduğu veri merkezleri de dahil olmak üzere kritik güç yedeklemesi gerektiren birçok sektörde büyük bir avantaj olarak görülüyor. Daha uzun döngü ömrü, kullanılabilir enerji (deşarj derinliği) ve termal kaçak da Li-po pillerin VRLA pillere göre kullanılmasının bir avantajı olarak görülüyor.
Atlama başlatıcı
Bir aracın marş motorunu çalıştırmak için kullanılan pil tipik olarak 12V veya 24V'dur. Aracı acil durumlarda çalıştırmak veya akü güçlendirici olarak seri bağlı üç veya altı LiPo pil (3S1P/6S1P) kullanılabilir. Kurşun asit bataryaların fiyatı daha düşük olmasına karşılık onlar lityum pillerden daha büyük ve ağırdırlar ve bu nedenle bu tür ürünler yerlerini çoğunlukla LiPo pillere veya bazen lityum demir fosfat pillere bırakmışlardır.
Emniyet
Tüm Li-ion piller, elektrolitin hafif buharlaşması nedeniyle yüksek veya aşırı şarjda genişler. Bu, delaminasyon ve dolayısıyla hücrenin iç katmanlarının kötü temasına neden olabilir, bu da hücre güvenilirliği ve genel döngü ömrünü azaltır. Bu LiPos pillerde belirgindir. Lityum Polimer pillerin güvenlik özellikleri lityum demir fosfat pillerden farklıdır.
Polimer Elektrolitler
Polimer elektrolitler iki büyük kategoriye ayrılabilir: kuru-katı ve jel polimer elektrolitler. Sıvı ve katı organik elektrolitlerle karşılaştırıldığında, polimer elektrolit, şarj ve deşarj işlemlerinde elektrotların hacmindeki değişikliklere karşı artan direnç, gelişmiş güvenlik özellikleri, mükemmel esneklik ve işlenebilirlik gibi avantajlar sunar.
Başlangıçta lityum tuzları ile şişmiş bir polimer matris olarak tanımlanmış Katı polimer elektrolit şimdi kuru katı polimer elektrolit olarak anılıyor. Lityum tuzları, iyonik iletkenlik için polimer matris içinde çözülür. Fiziksel fazı nedeniyle, oda sıcaklığında zayıf iletkenliğe neden olan zayıf iyon transferi vardır. Oda sıcaklığında iyonik iletkenliği iyileştirmek için jelleşmiş elektrolit eklenir ve bu da jel PE'lerin oluşmasına neden olur. GPE'ler, polimer matrisine bir organik sıvı elektrolit dahil edilerek oluşturulur. Sıvı elektrolit, az miktarda polimer ağ tarafından tutulur, bu nedenle GPE'nin özellikleri, sıvı ve katı elektrolitlerin özellikleri arasında karakterize edilir. İletim mekanizması benzerdir, ancak GPE'ler daha yüksek termal kararlılık ve düşük uçucu yapıya sahiptir, bu da güvenliğe daha fazla katkıda bulunur.
Katı polimer elektrolitli lityum piller
Katı polimer elektrolitli hücreler tam olarak ticarileşmeye ulaşmamış bir araştırma konusudur. Bu tipteki prototip hücrelerin, geleneksel sıvı elektrolitli bir lityum-iyon pil ile tamamen plastik, katı hal bir lityum-iyon pil arasında olduğu düşünülebilir.
En basit yaklaşım, EC/DMC/DEC'de LiPF<sub id="mw3A">6</sub> gibi geleneksel tuz ve çözücülerle jelleştirilmiş poliviniliden florür (PVdF) veya poli(akrilonitril) (PAN) gibi bir polimer matris kullanmaktır.
Nishi, Sony'nin 1988'de (1991'de sıvı elektrolit lityum iyon pilin ticarileştirilmesinden önce) jel polimer elektrolitlere (GPE) sahip lityum iyon piller üzerine araştırma başlattığından bahseder. Bu tip hücre sonunda 1998'de piyasaya çıktı. Bununla birlikte, Scrosati, en katı anlamıyla, jelleşmiş zarların "gerçek" polimer elektrolitler olarak sınıflandırılamayacağını, bunun yerine sıvı fazların polimer matris içinde bulunduğu hibrit sistemler olarak sınıflandırılabileceğini savunuyor. Bu polimer elektrolitler dokunulamayacak kadar kuru olabilseler de yine de %30 ila %50 sıvı çözücü içerebilirler. Bu bağlamda, bir "polimer pilin" ne olduğunun gerçekten nasıl tanımlanacağı açık bir soru olmaya devam ediyor.
Sistem için literatürde kullanılan diğer terimler arasında polimer matris, sıvı solvent ve tuzun kombinasyonunu belirten "hibrit" polimer elektrolit (HPE) deyimi yer alır. Bellcore'un 1996'da "plastik" lityum-iyon hücre (PLiON) olarak adlandırılan ve daha sonra 1999'da ticarileştirilen ilk lityum polimer hücresini geliştirmek için kullandığı buna benzer bir sistemdi.
Katı polimer elektrolit (SPE), polimer ortamında çözücü içermeyen bir tuz çözeltisidir. Örneğin, bir lityum bis(florosülfonil)imid (LiFSI) ve yüksek moleküler ağırlıklı poli(etilen oksit) (PEO), yüksek moleküler ağırlıklı bir poli(trimetilen karbonat) (PTMC), polipropilen oksit (PPO), poli[bis(metoksi-etoksi-etoksi)fosfazen] (MEEP), vb.
PEO, esnek etilen oksit segmentleri ve güçlü donör karakter içeren, Li+ katyonlarını kolayca çözen diğer oksijen atomları nedeniyle, lityum tuzları için katı bir çözücü olarak en umut verici performansı sergiler. PEO ayrıca ticari olarak çok makul bir maliyetle temin edilebilir.
Önerilen bu elektrolitlerin performansı genellikle metalik lityum elektrota karşı yarım hücre konfigürasyonunda ölçülür, bu da sistemi " lityum-metal " bir hücre yapar, ancak aynı zamanda lityum-demir-fosfat (LiFePO4) gibi yaygın bir lityum-iyon katot malzemesiyle de test edilmiştir.
Bir polimer elektrolit hücresi tasarlamaya yönelik diğer girişimler, poli(viniliden florür-ko-hekzafloropropilen) /poli(metil metakrilat) (PVDF-HFP/PMMA) gibi mikro gözenekli bir polimer matriste plastikleştirici olarak 1-bütil-3-metilimidazolyum tetrafloroborat ([BMIM]BF4) gibi inorganik iyonik sıvıların kullanımını içerir.