Различия между полимерными и литиевыми батареями: Что лучше?

Обзор полимерно-литиевых батарей

Литий-ионные батареи делятся на жидкие литий-ионные батареи и полимерные литий-ионные батареи (или пластиковые литий-ионные батареи) в зависимости от используемого материала электролита. В обоих типах используются одинаковые материалы положительных и отрицательных электродов: положительные электроды включают оксид кобальта лития, оксид марганца лития, тернарные материалы или фосфат железа лития, а отрицательным электродом обычно является графит. Принципы работы принципиально одинаковы. Основное различие заключается в электролите: в жидкостных литий-ионных батареях используется жидкий электролит, в то время как в полимерных литий-ионных батареях используется твердый полимерный электролит, который может быть как "сухим", так и "гелеобразным". В настоящее время в большинстве полимерных литий-ионных батарей используется гелевый полимерный электролит.

Классификация

  1. Литий-ионный аккумулятор с твердым полимерным электролитом: Электролит представляет собой смесь полимера и соли, обеспечивающую высокую ионную проводимость при комнатной температуре, что делает его пригодным для использования в окружающей среде.
  2. Литий-ионный аккумулятор с гелевым полимерным электролитом: В твердый полимерный электролит вводятся добавки, такие как пластификаторы, для повышения ионной проводимости, что позволяет использовать его при комнатной температуре.

По сравнению с жидкостными литий-ионными батареями полимерные литий-ионные батареи, в которых используется твердый электролит, имеют такие преимущества, как более тонкий профиль, настраиваемые формы и изменяемые размеры. Они могут быть заключены в алюминиево-пластиковые композитные пленки, что повышает удельную емкость. Кроме того, полимерные литий-ионные батареи могут использовать полимеры в качестве материала положительного электрода, что потенциально может увеличить удельную энергию более чем на 20% по сравнению с нынешними жидкостными литий-ионными батареями. Эти батареи характеризуются миниатюрностью, тонкостью и легкостью конструкции, что приводит к росту их доли на рынке.

Характеристики

Полимерные литий-ионные батареи обладают следующими характеристиками:

  1. Гибкое формирование
  2. Более высокая удельная энергия (в 3 раза выше, чем у никель-металлогидридных аккумуляторов)
  3. Широкое окно электрохимической стабильности (до 5 В)
  4. Отличная безопасность и надежность
  5. Увеличенный срок службы при минимальной потере емкости
  6. Высокая производительность

Принцип работы полимерно-литиевого аккумулятора

Литий-ионные батареи делятся на жидкие литий-ионные батареи (LIB) и полимерные литий-ионные батареи (PLB). В жидких литий-ионных батареях в качестве положительного и отрицательного электродов используются интеркаляционные соединения Li+. В качестве положительного электрода обычно используются такие соединения лития, как LiCoO2, LiNiO2 или LiMn2O4, а в качестве отрицательного - литий-углеродные интеркаляционные соединения (LixC6). Типичная система батареи: (-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)

Реакция на положительном электроде (восстановление): Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 (2.1) Реакция на отрицательном электроде (окисление): LixC6 - xe- = 6C + xLi+ (2.2) Общая реакция батареи: Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + 6C (2.3)

Принцип работы полимерных литий-ионных аккумуляторов идентичен принципу работы жидкостных литий-ионных аккумуляторов, главное отличие заключается в электролите. В полимерных литий-ионных батареях используется твердый или гелеобразный полимерный электролит или органический электролит. Жидкие или гелеобразные электролиты в традиционных литий-ионных батареях требуют прочной вторичной упаковки для содержания легковоспламеняющихся активных компонентов, что увеличивает вес и ограничивает гибкость размеров.

Полимерные литий-ионные батареи нового поколения можно делать ультратонкими (всего 0,5 мм, что эквивалентно толщине карты), с настраиваемыми формами и размерами, что значительно повышает гибкость конструкции. Это позволяет производителям адаптировать батареи к требованиям конкретного продукта, оптимизируя производительность. Полимерные литий-ионные батареи также обеспечивают повышение плотности энергии на 20% по сравнению со стандартными литий-ионными батареями, а также улучшают емкость и экологические характеристики.

Различия между полимерными и литиевыми батареями: Что лучше?

Полимерные батареи, как правило, превосходят другие, поскольку традиционные литиевые батареи практически устарели. В литиевых батареях в качестве отрицательного электрода используется металлический литий, а самыми первыми были литий-марганцевые батареи, работающие по окислительно-восстановительной реакции: Li + MnO2 = LiMnO2. Напряжение литий-металлических батарей обычно составляет около 3,0-3,6 В, в зависимости от материала положительного электрода. Сегодня литий-металлические батареи используются в основном в кнопочных элементах, поскольку они были в значительной степени заменены полимерными литий-ионными или жидкостными литий-ионными батареями. Литий - высокореактивный металл, даже более реактивный, чем натрий, легко теряющий электроны и подвергающийся окислению. В воздухе литий реагирует почти мгновенно, и исторически литиевые батареи использовались для разжигания костров в дикой природе, когда их вскрывали, так как литий, реагируя с воздухом, выделял значительное количество тепла, что подчеркивает присущую им опасность.

В отличие от литиевых батарей, литий-ионные аккумуляторы не содержат металлического лития. Их работа зависит от перемещения ионов лития между положительным и отрицательным электродами. Во время зарядки ионы Li+ деинтеркалируются с положительного электрода и внедряются в отрицательный электрод, который становится богатым литием; во время разрядки процесс происходит в обратном направлении. Полимерные батареи - это разновидность литий-ионных батарей, работающая по тому же принципу, но использующая твердый или гелевый полимерный электролит вместо жидкого. Это делает их более безопасными и позволяет создавать более компактные и гибкие конструкции.

Что лучше?

Полимерные литий-ионные батареи превосходят другие благодаря своей безопасности, гибкости, более высокой плотности энергии и длительному сроку службы. Их твердые или гелевые электролиты устраняют риски, связанные с жидкими электролитами, такие как утечка или воспламенение, и позволяют создавать более тонкие и настраиваемые формы. В то время как металлические литиевые батареи в настоящее время ограничены нишевыми применениями, такими как кнопочные элементы, из-за их реактивности и проблем с безопасностью, полимерные литий-ионные батареи являются предпочтительным выбором для современных приложений, предлагая улучшенную производительность и универсальность дизайна.