Batteria ai polimeri di litio - Lithium polymer battery
 Una batteria ai polimeri di litio utilizzata per alimentare uno smartphone
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| Energia specifica | 100–265 W·h / kg (0,36–0,95 MJ/kg) |
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| Densita 'energia | 250–730 W·h / L (0,90–2,63 MJ/L) |
Una batteria ai polimeri di litio , o più correttamente batteria ai polimeri di ioni di litio (abbreviata come LiPo , LIP , Li-poly , litio-poli e altri), è una batteria ricaricabile con tecnologia agli ioni di litio che utilizza un elettrolita polimerico invece di un elettrolita liquido. Polimeri semisolidi ( gel ) ad alta conduttività formano questo elettrolita. Queste batterie forniscono un'energia specifica più elevata rispetto ad altri tipi di batterie al litio e sono utilizzate in applicazioni in cui il peso è una caratteristica critica, come dispositivi mobili , aerei radiocomandati e alcuni veicoli elettrici .
Storia
Le celle LiPo seguono la storia delle celle agli ioni di litio e al metallo di litio che sono state oggetto di approfondite ricerche negli anni '80, raggiungendo una pietra miliare significativa con la prima cella agli ioni di litio cilindrica commerciale di Sony nel 1991. Successivamente, si sono evolute altre forme di imballaggio, tra cui il formato busta piatta.
Origine e terminologia del design
Le celle ai polimeri di litio si sono evolute dalle batterie agli ioni di litio e al litio-metallo . La differenza principale è che invece di utilizzare un elettrolita liquido al sale di litio (come LiPF 6 ) tenuto in un solvente organico (come EC / DMC / DEC ), la batteria utilizza un elettrolita polimerico solido (SPE) come il polietilene ossido) (PEO), poli(acrilonitrile) (PAN), poli(metilmetacrilato) (PMMA) o poli(fluoruro di vinilidene) (PVdF).
L'elettrolita solido può essere tipicamente classificato come uno di tre tipi: SPE secco, SPE gelificato e SPE poroso. La SPE a secco è stata la prima ad essere utilizzata in prototipi di batterie, intorno al 1978 da Michel Armand , e nel 1985 da ANVAR e Elf Aquitaine in Francia, e Hydro Quebec in Canada. Dal 1990 diverse organizzazioni come Mead e Valence negli Stati Uniti e GS Yuasa in Giappone hanno sviluppato batterie utilizzando SPE gelificati. Nel 1996, Bellcore negli Stati Uniti ha annunciato una cella ricaricabile ai polimeri di litio che utilizza SPE poroso.
Una tipica cella ha quattro componenti principali: elettrodo positivo , elettrodo negativo, separatore ed elettrolita . Il separatore stesso può essere un polimero , come un film microporoso di polietilene (PE) o polipropilene (PP); quindi, anche quando la cella ha un elettrolita liquido, conterrà ancora un componente "polimero". Oltre a questo, l'elettrodo positivo può essere ulteriormente suddiviso in tre parti: l'ossido di metallo di transizione al litio (come LiCoO 2 o LiMn 2 O 4 ), un additivo conduttivo e un legante polimerico di poli (fluoruro di vinilidene) (PVdF). Il materiale dell'elettrodo negativo può avere le stesse tre parti, solo con il carbonio che sostituisce l'ossido di litio-metallo.
Principio di funzionamento
Proprio come con altre celle agli ioni di litio, LiPos funziona secondo il principio dell'intercalazione e della deiintercalazione degli ioni di litio da un materiale dell'elettrodo positivo e un materiale dell'elettrodo negativo, con l'elettrolita liquido che fornisce un mezzo conduttivo. Per evitare che gli elettrodi si tocchino direttamente, è interposto un separatore microporoso che consente solo agli ioni e non alle particelle dell'elettrodo di migrare da un lato all'altro.
Tensione e stato di carica
La tensione di una singola cella LiPo dipende dalla sua composizione chimica e varia da circa 4,2 V (completamente carica) a circa 2,7–3,0 V (completamente scarica), dove la tensione nominale è di 3,6 o 3,7 volt (circa il valore medio del massimo e del minimo valore) per celle a base di ossidi di litio-metallo (come LiCoO 2 ). Ciò è paragonabile a 3,6–3,8 V (caricato) a 1,8–2,0 V (scaricato) per quelli a base di litio-ferro-fosfato (LiFePO 4 ).
I valori esatti di tensione dovrebbero essere specificati nelle schede tecniche del prodotto, con l'intesa che le celle dovrebbero essere protette da un circuito elettronico che non permetta loro di sovraccaricarsi o scaricarsi eccessivamente durante l'uso.
I pacchi batteria LiPo , con celle collegate in serie e in parallelo, hanno pin-out separati per ogni cella. Un caricabatterie specializzato può monitorare la carica su base per cella in modo che tutte le celle siano portate allo stesso stato di carica (SOC).
Applicare pressione sulle celle LiPo
A differenza delle celle cilindriche e prismatiche agli ioni di litio, che hanno un involucro metallico rigido, le celle LiPo hanno un involucro flessibile a lamina ( laminato polimerico ), quindi sono relativamente non vincolate.
Essere leggeri è un vantaggio quando l'applicazione richiede un peso minimo, come nel caso dei velivoli radiocomandati . Tuttavia, è stato stabilito che una moderata pressione sulla pila di strati che compongono la cella determina un aumento della capacità di ritenzione, poiché il contatto tra i componenti viene massimizzato e viene impedita la delaminazione e la deformazione, che è associata all'aumento dell'impedenza della cella e al degrado.
Durata della batteria
Carica/scarica a 0,5°C/0,5°C, 80% di capacità residua dopo 500 cicli.
Applicazioni
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Le celle LiPo offrono ai produttori vantaggi convincenti. Possono facilmente produrre batterie di quasi tutte le forme desiderate. Ad esempio, è possibile soddisfare i requisiti di spazio e peso dei dispositivi mobili e dei computer notebook . Hanno anche un basso tasso di autoscarica, che è di circa il 5% al mese.
Apparecchiature radiocomandate e velivoli
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Batterie LiPo sono ormai quasi ovunque quando viene utilizzato per alimentare aeromobili radiocomandato , automobili radiocomandati e treni larga scala, in cui i vantaggi di peso inferiore e maggiore erogazione capacità e potenza giustificano il prezzo. I rapporti di prova avvertono del rischio di incendio quando le batterie non vengono utilizzate secondo le istruzioni.
La tensione per la conservazione a lungo termine della batteria LiPo utilizzata nel modello R/C dovrebbe essere di 3,6~3,9 V per cella, altrimenti potrebbe causare danni alla batteria.
I pacchi LiPo vedono anche un uso diffuso nel softair , dove le loro correnti di scarica più elevate e una migliore densità di energia rispetto alle batterie NiMH più tradizionali hanno un guadagno di prestazioni molto evidente (più alto tasso di fuoco). Le elevate correnti di scarica danneggiano i contatti dell'interruttore a causa dell'arco (causando l'ossidazione dei contatti e spesso il deposito di carbonio), quindi si consiglia di utilizzare un interruttore MOSFET a stato solido o pulire regolarmente i contatti del grilletto.
Elettronica personale
Le batterie LiPo sono diffuse in dispositivi mobili , power bank , computer portatili molto sottili , lettori multimediali portatili , controller wireless per console per videogiochi, periferiche wireless per PC, sigarette elettroniche e altre applicazioni in cui sono richiesti fattori di forma ridotti e l'elevata densità di energia supera i costi considerazioni.
Veicoli elettrici
Hyundai Motor Company utilizza questo tipo di batteria in alcuni dei suoi veicoli elettrici e ibridi a batteria , così come Kia Motors nella loro Kia Soul elettrica a batteria . Anche la Bolloré Bluecar , utilizzata nei sistemi di car sharing di diverse città, utilizza questo tipo di batteria.
Sistemi UPS
Le batterie agli ioni di litio stanno diventando sempre più comuni nei sistemi UPS . Offrono numerosi vantaggi rispetto alla tradizionale batteria VRLA e con miglioramenti di stabilità e sicurezza la fiducia nella tecnologia sta crescendo. Il loro rapporto potenza/dimensioni e peso è considerato un vantaggio importante in molti settori che richiedono un'alimentazione di backup critica, compresi i data center in cui lo spazio è spesso prezioso. Anche la maggiore durata del ciclo, l'energia utilizzabile (profondità di scarica) e l'instabilità termica sono considerati un vantaggio per l'utilizzo di batterie Li-po rispetto alle batterie VRLA.
Avviatore di emergenza
La batteria utilizzata per avviare il motore di un veicolo è in genere 12V o 24V, quindi un dispositivo di avviamento di emergenza portatile o un ripetitore di batteria utilizza tre o sei batterie LiPo in serie (3S1P/6S1P) per avviare il veicolo in caso di emergenza, invece dell'altro avviamento di emergenza metodi . Il prezzo di un avviatore di emergenza al piombo è inferiore, ma sono più grandi e più pesanti delle batterie al litio comparabili, quindi tali prodotti sono stati per lo più passati alle batterie LiPo o talvolta alle batterie al litio ferro fosfato.
Sicurezza
Tutte le celle agli ioni di litio si espandono ad alti livelli di stato di carica (SOC) o sovraccarica, a causa della leggera vaporizzazione dell'elettrolita. Ciò può comportare la delaminazione e quindi un cattivo contatto degli strati interni della cella, che a sua volta riduce l'affidabilità e la durata complessiva della cella. Questo è molto evidente per LiPos, che può gonfiarsi visibilmente a causa della mancanza di una custodia rigida per contenere la loro espansione.
Per un confronto con le celle LFP su questo argomento, vedere la sicurezza delle celle LiFe
Celle al litio con elettrolita polimerico solido
Le celle con elettroliti polimerici solidi non hanno raggiunto la piena commercializzazione e sono ancora oggetto di ricerca. Le celle prototipo di questo tipo potrebbero essere considerate tra una tradizionale batteria agli ioni di litio (con elettrolita liquido) e una batteria agli ioni di litio a stato solido completamente plastica .
L'approccio più semplice consiste nell'utilizzare una matrice polimerica, come il fluoruro di polivinilidene (PVdF) o il poli(acrilonitrile) (PAN), gelificata con sali e solventi convenzionali, come LiPF 6 in EC / DMC / DEC .
Nishi afferma che Sony ha iniziato la ricerca sulle celle agli ioni di litio con elettroliti polimerici gelificati (GPE) nel 1988, prima della commercializzazione della cella agli ioni di litio a elettrolita liquido nel 1991. A quel tempo le batterie ai polimeri erano promettenti e sembrava che gli elettroliti polimerici sarebbero diventati indispensabile. Alla fine, questo tipo di cella è entrato nel mercato nel 1998. Tuttavia, Scrosati sostiene che, in senso stretto, le membrane gelificate non possono essere classificate come "veri" elettroliti polimerici, ma piuttosto come sistemi ibridi in cui le fasi liquide sono contenute all'interno del polimero matrice. Sebbene questi elettroliti polimerici possano essere secchi al tatto, possono comunque contenere dal 30% al 50% di solvente liquido. A tal proposito, come definire realmente cosa sia una “batteria ai polimeri” rimane una questione aperta.
Altri termini utilizzati in letteratura per questo sistema includono elettrolita polimerico ibrido (HPE), dove "ibrido" indica la combinazione della matrice polimerica, del solvente liquido e del sale. Era un sistema come questo che Bellcore utilizzò per sviluppare una prima cella ai polimeri di litio nel 1996, che fu chiamata cella agli ioni di litio "plastica" (PLiON), e successivamente commercializzata nel 1999.
Un elettrolita polimerico solido (SPE) è una soluzione salina priva di solventi in un mezzo polimerico. Può essere, per esempio, un composto di litio bis(fluorosolfonil)immide (LiFSI) e poli(ossido di etilene) (PEO) ad alto peso molecolare o un poli(trimetilene carbonato) (PTMC) ad alto peso molecolare.
Le prestazioni di questi elettroliti proposti sono solitamente misurate in una configurazione a mezza cella contro un elettrodo di litio metallico , rendendo il sistema una cella " litio-metallo ", ma è stato anche testato con un comune materiale catodico agli ioni di litio come il litio -ferro-fosfato (LiFePO 4 ).
Altri tentativi di progettare una cella elettrolitica polimerica includono l'uso di liquidi ionici inorganici come 1-butil-3-metilimidazolo tetrafluoroborato ([BMIM]BF 4 ) come plastificante in una matrice polimerica microporosa come poli (fluoruro di vinilidene-co-esafluoropropilene) /poli(metilmetacrilato) (PVDF-HFP/PMMA).
Guarda anche
- Elenco dei tipi di batteria
- Batteria al litio-aria
- Batteria al litio ferro fosfato
- Ricerca sulle batterie agli ioni di litio
Riferimenti
link esterno