Różnice między bateriami polimerowymi a litowymi: Co jest lepsze?
Przegląd polimerowych baterii litowych
Akumulatory litowo-jonowe dzielą się na ciekłe akumulatory litowo-jonowe i polimerowe akumulatory litowo-jonowe (lub plastikowe akumulatory litowo-jonowe) w oparciu o zastosowany materiał elektrolitu. Oba typy wykorzystują te same materiały elektrod dodatnich i ujemnych: elektrody dodatnie obejmują tlenek litowo-kobaltowy, tlenek litowo-manganowy, materiały trójskładnikowe lub fosforan litowo-żelazowy, podczas gdy elektrodą ujemną jest zazwyczaj grafit. Zasady działania są zasadniczo takie same. Podstawowa różnica polega na elektrolicie: ciekłe akumulatory litowo-jonowe wykorzystują ciekły elektrolit, podczas gdy polimerowe akumulatory litowo-jonowe wykorzystują stały elektrolit polimerowy, który może być "suchy" lub "żelowy". Obecnie większość polimerowych akumulatorów litowo-jonowych wykorzystuje żelowy elektrolit polimerowy.
Klasyfikacja
- Akumulator litowo-jonowy ze stałym elektrolitem polimerowym: Elektrolit jest mieszaniną polimeru i soli, oferującą wysoką przewodność jonową w temperaturze pokojowej, dzięki czemu nadaje się do użytku w otoczeniu.
- Akumulator litowo-jonowy z elektrolitem polimerowo-żelowym: Dodatki, takie jak plastyfikatory, są włączane do stałego elektrolitu polimerowego w celu zwiększenia przewodności jonowej, umożliwiając stosowanie w temperaturze pokojowej.
W porównaniu z ciekłymi akumulatorami litowo-jonowymi, polimerowe akumulatory litowo-jonowe, które wykorzystują stały elektrolit, oferują takie zalety, jak cieńsze profile, konfigurowalne kształty i zmienne rozmiary. Mogą być one zamknięte w aluminiowo-plastikowych foliach kompozytowych, co zwiększa ich pojemność. Dodatkowo, polimerowe akumulatory litowo-jonowe mogą wykorzystywać polimery jako materiały elektrod dodatnich, potencjalnie zwiększając energię właściwą o ponad 20% w porównaniu do obecnych ciekłych akumulatorów litowo-jonowych. Baterie te charakteryzują się miniaturyzacją, cienką i lekką konstrukcją, co prowadzi do ich rosnącego udziału w rynku.
Cechy
Polimerowe akumulatory litowo-jonowe mają następujące cechy:
- Elastyczne kształtowanie
- Wyższa energia właściwa (3x wyższa niż w akumulatorach Ni-MH)
- Szeroki zakres stabilności elektrochemicznej (do 5 V)
- Doskonałe bezpieczeństwo i niezawodność
- Dłuższa żywotność przy minimalnej utracie pojemności
- Wysoka wydajność objętościowa
Zasada działania polimerowej baterii litowej
Akumulatory litowo-jonowe dzielą się na ciekłe akumulatory litowo-jonowe (LIB) i polimerowe akumulatory litowo-jonowe (PLB). Płynne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują związki interkalacyjne Li+ jako elektrody dodatnie i ujemne. Elektroda dodatnia zazwyczaj wykorzystuje związki litu, takie jak LiCoO2, LiNiO2 lub LiMn2O4, podczas gdy elektroda ujemna wykorzystuje interkalacyjne związki litowo-węglowe (LixC6). Typowy układ baterii to: (-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)
Reakcja elektrody dodatniej (redukcja): Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 (2.1) Reakcja elektrody ujemnej (utlenianie): LixC6 - xe- = 6C + xLi+ (2.2) Ogólna reakcja akumulatora: Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + 6C (2.3)
Zasada działania polimerowych akumulatorów litowo-jonowych jest identyczna jak w przypadku ciekłych akumulatorów litowo-jonowych, a główną różnicą jest elektrolit. Polimerowy akumulator litowo-jonowy wykorzystuje stały lub żelowy elektrolit polimerowy lub elektrolit organiczny. Ciekłe lub żelowe elektrolity w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych wymagają solidnego opakowania wtórnego, aby pomieścić łatwopalne składniki aktywne, zwiększając wagę i ograniczając elastyczność rozmiaru.
Polimerowe baterie litowo-jonowe nowej generacji mogą być ultracienkie (zaledwie 0,5 mm, co odpowiada grubości karty), o konfigurowalnych kształtach i rozmiarach, co znacznie zwiększa elastyczność projektowania. Pozwala to producentom na dostosowanie baterii do konkretnych wymagań produktu, optymalizując wydajność. Polimerowe baterie litowo-jonowe oferują również poprawę gęstości energii o 20% w porównaniu do standardowych baterii litowo-jonowych, wraz z poprawą pojemności i wydajności środowiskowej.
Różnice między bateriami polimerowymi a litowymi: Co jest lepsze?
Baterie polimerowe są ogólnie lepsze, ponieważ tradycyjne baterie litowe są prawie przestarzałe. Baterie litowe wykorzystują metaliczny lit jako elektrodę ujemną, a najwcześniejsze z nich to baterie litowo-manganowe, działające na zasadzie reakcji redoks: Li + MnO2 = LiMnO2. Baterie litowo-metalowe mają zwykle napięcie około 3,0-3,6 V, w zależności od materiału elektrody dodatniej. Obecnie baterie litowo-metalowe są używane głównie w ogniwach guzikowych, ponieważ zostały one w dużej mierze zastąpione przez polimerowe baterie litowo-jonowe lub ciekłe baterie litowo-jonowe. Lit jest wysoce reaktywnym metalem, nawet bardziej niż sód, łatwo tracącym elektrony i ulegającym utlenianiu. W powietrzu lit reaguje niemal natychmiast, a w przeszłości baterie litowe były używane do wzniecania pożarów w dziczy poprzez ich otwieranie, ponieważ lit reaguje z powietrzem, uwalniając znaczne ciepło, co podkreśla ich nieodłączne niebezpieczeństwo.
W przeciwieństwie do akumulatorów litowych, akumulatory litowo-jonowe nie zawierają metalicznego litu. Ich działanie opiera się na jonach litu przemieszczających się między elektrodą dodatnią i ujemną. Podczas ładowania jony Li+ deinterkalują z elektrody dodatniej i osadzają się w elektrodzie ujemnej, która staje się bogata w lit; podczas rozładowywania proces ten ulega odwróceniu. Baterie polimerowe to rodzaj baterii litowo-jonowych, które działają na tej samej zasadzie, ale wykorzystują stały lub żelowy elektrolit polimerowy zamiast ciekłego. Dzięki temu są bezpieczniejsze i pozwalają na mniejsze, bardziej elastyczne konstrukcje.
Co jest lepsze?
Polimerowe akumulatory litowo-jonowe są lepsze ze względu na ich bezpieczeństwo, elastyczność, wyższą gęstość energii i dłuższą żywotność. Ich elektrolity stałe lub żelowe eliminują ryzyko związane z elektrolitami ciekłymi, takie jak wycieki lub łatwopalność, i umożliwiają cieńsze, konfigurowalne kształty. Podczas gdy baterie litowo-metalowe są obecnie ograniczone do niszowych zastosowań, takich jak ogniwa guzikowe, ze względu na ich reaktywność i obawy dotyczące bezpieczeństwa, polimerowe baterie litowo-jonowe są preferowanym wyborem dla nowoczesnych zastosowań, oferując lepszą wydajność i wszechstronność projektowania.
