Verschillen tussen polymeerbatterijen en lithiumbatterijen: Welke is beter?
Overzicht van polymeer lithiumbatterijen
Lithium-ion-accu's worden ingedeeld in vloeibare lithium-ion-accu's en polymeer-lithium-ion-accu's (of plastic lithium-ion-accu's) op basis van het gebruikte elektrolytmateriaal. Beide types gebruiken dezelfde positieve en negatieve elektrodematerialen: positieve elektrodes zijn bijvoorbeeld lithiumkobaltoxide, lithiummangaanoxide, ternaire materialen of lithiumijzerfosfaat, terwijl de negatieve elektrode meestal grafiet is. De werkingsprincipes zijn fundamenteel hetzelfde. Het belangrijkste verschil zit in de elektrolyt: vloeibare lithium-ion-accu's gebruiken een vloeibare elektrolyt, terwijl polymeer-lithium-ion-accu's een vaste polymeerelektrolyt gebruiken, die "droog" of "gel-achtig" kan zijn. Momenteel gebruiken de meeste polymeer-lithium-ion-accu's een gel-polymeerelektrolyt.
Classificatie
- Vaste polymeer elektrolyt lithium-ion batterij: De elektrolyt is een mengsel van polymeer en zout en biedt een hoge ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur, waardoor het geschikt is voor gebruik in de omgeving.
- Gel polymeer elektrolyt lithium-ion batterij: Additieven zoals weekmakers worden opgenomen in de vaste polymeerelektrolyt om de ionische geleidbaarheid te verbeteren, waardoor gebruik bij kamertemperatuur mogelijk wordt.
Vergeleken met vloeibare lithium-ion-accu's bieden polymeer-lithium-ion-accu's, die een vaste elektrolyt gebruiken, voordelen zoals dunnere profielen, aanpasbare vormen en variabele afmetingen. Ze kunnen worden omhuld door aluminium-kunststof composietfilms, wat de specifieke capaciteit verbetert. Bovendien kunnen polymeer-lithium-ion-batterijen polymeren gebruiken als positieve elektrodematerialen, waardoor de specifieke energie met meer dan 20% kan toenemen in vergelijking met de huidige vloeibare lithium-ion-batterijen. Deze accu's worden gekenmerkt door miniaturisatie, dunheid en een lichtgewicht ontwerp, wat leidt tot een groeiend marktaandeel.
Kenmerken
Polymeer-lithium-ion-batterijen hebben de volgende kenmerken:
- Flexibele vormgeving
- Hogere specifieke energie (3x die van Ni-MH accu's)
- Breed elektrochemisch stabiliteitsvenster (tot 5V)
- Uitstekende veiligheid en betrouwbaarheid
- Langere levensduur met minimaal capaciteitsverlies
- Hoog volume efficiëntie
Principe van polymeer lithiumbatterij
Lithium-ion-accu's worden onderverdeeld in vloeibare lithium-ion-accu's (LIB) en polymeer-lithium-ion-accu's (PLB). Vloeibare lithium-ion-accu's gebruiken Li+ intercalatieverbindingen als positieve en negatieve elektroden. De positieve elektrode gebruikt meestal lithiumverbindingen zoals LiCoO2, LiNiO2 of LiMn2O4, terwijl de negatieve elektrode lithium-koolstof intercalatieverbindingen (LixC6) gebruikt. Een typisch accusysteem is: (-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)
Positieve elektrode-reactie (reductie): Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 (2.1) Negatieve elektrode-reactie (oxidatie): LixC6 - xe- = 6C + xLi+ (2.2) Algemene batterijreactie: Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + 6C (2.3)
Het principe van polymeer-lithium-ion-accu's is identiek aan dat van vloeibare lithium-ion-accu's, met als belangrijkste verschil de elektrolyt. Een polymeer lithium-ion-accu maakt gebruik van een vaste of gelachtige polymeerelektrolyt of een organische elektrolyt. Vloeibare elektrolyten of gelelektrolyten in traditionele lithium-ion-accu's vereisen een robuuste secundaire verpakking om brandbare actieve componenten te bevatten, waardoor het gewicht toeneemt en de flexibiliteit in afmetingen wordt beperkt.
De volgende generatie polymeer lithium-ion batterijen kan ultradun worden gemaakt (zo dun als 0,5 mm, gelijk aan de dikte van een kaart), met aanpasbare vormen en afmetingen, waardoor de ontwerpflexibiliteit enorm toeneemt. Dit stelt fabrikanten in staat om batterijen op maat te maken voor specifieke productvereisten, waardoor de prestaties worden geoptimaliseerd. Polymeer lithium-ion batterijen bieden ook een 20% verbetering in energiedichtheid vergeleken met standaard lithium-ion batterijen, samen met verbeteringen in capaciteit en milieuprestaties.
Verschillen tussen polymeerbatterijen en lithiumbatterijen: Welke is beter?
Polymeeraccu's zijn over het algemeen superieur, omdat traditionele lithiumaccu's bijna verouderd zijn. Lithiumbatterijen gebruiken metallisch lithium als negatieve elektrode. De oudste zijn lithium-mangaandioxidebatterijen, die werken via een redoxreactie: Li + MnO2 = LiMnO2. Lithiummetaalbatterijen hebben doorgaans een spanning van ongeveer 3,0-3,6 V, afhankelijk van het positieve elektrodemateriaal. Tegenwoordig worden lithiummetaalbatterijen voornamelijk gebruikt in knoopcellen, omdat ze grotendeels zijn vervangen door lithium-ion-polymeerbatterijen of vloeibare lithium-ionbatterijen. Lithium is een zeer reactief metaal, zelfs nog reactiever dan natrium, dat gemakkelijk elektronen verliest en oxidatie ondergaat. In lucht reageert lithium bijna onmiddellijk en in het verleden werden lithiumbatterijen gebruikt om brand te stichten in de wildernis door ze open te breken, omdat het lithium met lucht reageert en aanzienlijke hitte afgeeft, wat hun inherente gevaar benadrukt.
In tegenstelling tot lithiumbatterijen bevatten lithium-ionbatterijen geen metallisch lithium. Ze zijn afhankelijk van lithiumionen die tussen de positieve en negatieve elektroden bewegen om te functioneren. Tijdens het opladen deintercaleren Li+-ionen van de positieve elektrode en nestelen zich in de negatieve elektrode, die lithiumrijk wordt; tijdens het ontladen keert het proces om. Polymeeraccu's zijn een soort lithium-ionaccu's met hetzelfde principe, maar met een vaste of gel-polymeerelektrolyt in plaats van een vloeibare. Hierdoor zijn ze veiliger en kunnen ze kleiner en flexibeler worden ontworpen.
Wat is beter?
Polymeer lithium-ion batterijen zijn superieur vanwege hun veiligheid, flexibiliteit, hogere energiedichtheid en langere levensduur. Hun vaste elektrolyten of gelelektrolyten elimineren de risico's die geassocieerd worden met vloeibare elektrolyten, zoals lekkage of ontvlambaarheid, en maken dunnere, aanpasbare vormen mogelijk. Terwijl lithiummetaalbatterijen nu beperkt zijn tot nichetoepassingen zoals knoopcellen vanwege hun reactiviteit en veiligheidsproblemen, zijn polymeer-lithium-ionbatterijen de keuze bij uitstek voor moderne toepassingen, omdat ze betere prestaties en een veelzijdiger ontwerp bieden.
