鋰離子聚合物電池

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鋰離子聚合物電池
Lipolybattery.jpg
用於驅動手機的鋰離子聚合物電池
比能 100–265 W·h/kg(0.36–0.95 MJ/kg)
能量密度 250–730 W·h/L(0.90–2.23 MJ/L)
标称电池电压 3.3 V, 3.7 V, 取決於化學反應

锂聚合物电池 ( lithium polymer ) 或聚合物鋰電池又可簡稱為鋰聚電池 ( Li-Po )、或聚鋰電池都是一种鋰離子電池。鋰聚電池通常是由數個相同的平行子電池芯 ( secondary cells ) 來增加放電電流,或由數個電池包(pack)串聯來增加可用電壓。锂聚电池容易与下面两种电池概念混淆:

  • 锂电池(Lithium battery):虽然常常被用作为锂离子电池的简称,但严格意义的锂电池是锂原电池,內含純態的鋰金屬,為一次性使用、不可充電。
  • 鋰離子電池為鋰聚電池的前身,主要差異為電解質使用液態有機溶液 而非膠狀或固態的聚合物

歷史[编辑]

參見鋰離子電池的歷史

啟發[编辑]

這種形式的電池是由鋰離子電池演化而來的。最主要的差異是電池中鋰鹽的電解質是由固態的聚合物如聚乙二醇聚丙烯腈所攜帶、而非鋰離子電池使用的有機溶液。鋰聚電池比起鋰離子電池,具有更低的製造成本的可能性[來源請求]、更有彈性的包裝形狀選擇、可靠度、和耐用性的優點。而缺點是其充電電容量較小。 鋰聚電池最初大約在1995年的消費性電子產品中出現。

科技發展[编辑]

洛克希德馬丁公司為NASA製作的實驗鋰離子聚合物電池

現今生產的商用鋰聚電池是以具彈性的軟膜式的層壓包裝,與具金屬硬殼的柱狀的鋰離子電池有所不同。鋰離子電池的硬殼需要提供把絕緣體電極固定在一起的壓力,而鋰聚包裝由於電極片和絕緣體是層疊在彼此上面而不需要這樣的壓力(大部分不需要)。由於缺少了金屬硬殼,這樣的電池包可以比硬式電池本身減少20%的重量。

鋰聚電池的電壓在2.7伏特(放完電)到大約4.23伏特(完全充電)之間變化。為了防止過充,鋰離子電池在串聯包裝的情況下,每一顆電池的電壓都要限制在4.235伏特以下。

在發展初期,鋰聚電池有高內阻的問題。其他的限制還包含了,與現有電池比起來較長的充電時間及較低的最大放電能力。2007年十二月,東芝公司發表了能更快充電的新設計(五分鐘左右能到達90%),這樣的產品預計2008年五月上市時會大幅改變現有的消費性電子產品、電動工具及電動車的市場結構[1]。更近期的發展更讓最大放電電流從原來2倍左右的容量(以安培小時為單位)進步到65甚至是90倍

近年來,製造商開始宣稱電池在衰退到80%的容量前能完成500次的重複充放(參見三洋電機),而另外一種鋰電池"薄膜鋰電池英语Thin film rechargeable lithium battery"更具有超過10,000次的循環能力[來源請求]

應用[编辑]

鋰聚最有競爭力的特色是,鋰聚電池幾乎可以說是能被做成各種形狀。這樣的特色使他在追求輕薄短小的手機製造業中佔有一席之地。

空氣槍玩家也逐街轉換成鋰聚電池,因為鋰聚不但能自由塑形,還能提供更高的出彈速率。

遙控模型[编辑]

遙控模型用的3電池芯(3S)的鋰聚電池

因為其低重量、高放電、和低廉的價格,使鋰聚電池在遙控飛機遙控車和大型火車模型的領域中廣泛地受到歡迎。低電壓切斷(LVC,low voltage cutoff)使每一顆電池芯在負載的情況下都保持在3.2V以上(一般來說)[2]。在2013年初,鋰聚電池已經被廣泛的應用,一般普遍較低放電能力的電池(45C連續放電,90C瞬間最大放電)已經非常普遍[3],而最好的甚至已經能再有250個充放循環下達到5~15C的充電能力,及65C的連續放電,和130C的瞬間放電能力[4].[5]

知名的供應商包含Hyperion[2] 、哈比王 HobbyKing[6]、 ThunderPower[7] 和 BananaHobby[8]

隨身電子產品[编辑]

鋰聚電池同樣在PDA筆記型電腦手機領域中占有重要定位,微型GPS追蹤裝置也靠鋰離子電池提供數天到數周的充電週期。鋰聚同樣也被用在小型可攜式媒體撥放器平板電腦及電動的無線控制器。鋰聚電池也在電子香菸界受到歡迎。凡是需要小體積、高能量密度、低價考量的狀況下都是鋰聚電池的應用

電動車[编辑]

這種電池同樣也推動了次世代的電動車。目前電動車的價格遠高於一般汽油車,但隨著產量及科技的發展,鋰聚電池的價格也會跟著下降 現代汽車在他們的油電混合車上使用這種電池。[9] 在2010年十月26日,純鋰聚驅動的Audi A2創下在一次充電中行駛600公里的紀錄。[10] 從2011年開始,超過百萬瓦的鋰聚電池已經協助創下多次直線加速賽的世界紀錄[11]

限制[编辑]

  • 所有的鋰離子電池都具有很高的電量狀態(SOC),可能導致層分離、壽命減低和效能降低的問題。在硬式電池中,硬殼能防止極層分離,但是軟包裝的鋰聚電池包本身沒有這樣的壓力。為了維持表現,電池本身需要外殼來保持原來的形狀
  • 鋰聚電池過熱可能導致膨脹或起火
  • 在負載放電時,當任何電池芯(串聯情況下)低於3.0伏特時都應該立即停止負載供電,不然將導致電池沒辦法回到完全充電的狀態。或造成日後在負載供電時會大幅的壓降(內阻升高)。這個問題可以透過與電池串連的晶片來防止電池過充與過放
  • 鋰離子電池比起來,鋰聚電池的充放循環壽命比較不那麼具競爭力
  • 為了防止爆炸與起火,充電時鋰聚電池需使用專為鋰聚設計的充電器
  • 若直接把電池短路或短時間內通過極大電流也可能導致爆炸。特別是在有大電量需求的遙控模型玩家都會謹慎注意連接點和絕緣。電池遭到穿孔時也可能起火[12]
  • 充電時要採用專門的充電器來使每顆子電池芯平均的充電。這也導致成本的增加。.

原理[编辑]

目前市面上有兩種已經商業化的科技都統稱為鋰離子聚合物(其中「聚合物」代表「電解質隔離聚合物」)。

電池由以下部分組成:

  • 正極:LiCoO2 二氧化鋰鈷 或 LiMn2O4 四氧化鋰二錳
  • 隔膜:導電電解質聚合物 (例如:聚乙二醇,PEO)
  • 負極: 鋰或鋰炭嵌入 (化學)化合物

典型反應:(放電)

  • 負極:(Carbon-Lix) → C + xLi+ + xe
  • 隔膜: Li+ 導電
  • 正極: Li1−xCoO2 + xLi+ + xe → LiCoO2
  • 總反應: (碳-xLi+ + xe) + Li1-xCoO2 → LiCoO2 + 碳

電解質/隔膜聚合物可以是固體聚合物,例如聚乙二醇 (PEO)、加上 六氟化鋰鉀英语lithium hexafluorophosphate(LiPF6)、或其他可導電的鹽類加上[二氧化矽]]或其他能增強機械性質的填充材料(這樣的方式尚未商業化)。在安全性的要求下,一般電池都使用碳嵌入鋰的方式作為電池負極,除了例如Avestor (與Batscap合併之後)的某些製造商使用金屬態的鋰當負極(稱為鋰金屬聚合物電池)。

這兩種商業化的電池都是將膠狀溶劑和鹽類如碳酸乙烯酯英语Ethylene carbonate(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸二乙酯(DEC)塗在聚偏氟乙烯英语Polyvinylidene fluoride(PVdF)聚合上。不同之處在於(Bellcore/Telcordia 的技術) 使用 鋰錳酸鹽英语lithium permanganate(LiMn2O4)當正極;而傳統方式則是使用鈷鋰氧化物英语lithium cobalt oxid(LiCoO2)。

雖然商業上尚未普及,但有其他不同的鋰聚電池也在正極使用聚合物。例如: Moltech 正在發展的,以導電塑膠及碳-硫化合物製成的正極。不過到2005年為止,這種技術似乎有自放的問題同時生產成本也過高.

其他的方法包含使用 含硫有機化合物導電聚合物作為正極,例如聚苯胺。這種方式能做出很好高放電能力,包含低內阻和高放電容量。但存在循環次數不足及成本過高問題

延長多芯電池使用壽命[编辑]

在電池包有兩種不匹配的方式:比較常見的電量狀態(SOC,電池容量的百分比)的不匹配以及容量/能量(C/E)的不匹配。這兩者皆會使電池包的容量 (mA·h)被最弱的電池芯限制住。在電池串聯或並聯的情況下,前級類比端(AFE)能消除電池間的不匹配,大幅增進電池效率和整體容量。電池不匹配的可能性隨著電池芯的數量及負載電流的增加而上升。

當電池包中的池芯符合以下兩個條件時,我們稱為平衡的電池:

  • 如果所有的電池芯都有同樣的容量,當他們具有同樣的相對電量狀態(SOC)時,稱謂平衡。開迴路電壓(OCV)在這種種況下是很好的SOC指標。如果把一個不平衡的電池包裡面所有的電池芯,都分別充電到完全充電狀態(此時即為平衡),則接下來的充放循環也隨之回復正常而不需要額外的調整。
  • 如果電池芯之間有不同的容量時,我們仍然把所有電池芯具有相同SOC的狀態稱為平衡。由於SOC是相對的量測值(該池芯的剩餘放電百分比),每個電池芯剩餘的絕對容量則是不同的,電池芯在充放循環中為了使不同容量的電池芯之間保持相同的SOC,平衡器要提供串聯的不同電池芯間不同的電流。

充電[编辑]

鋰聚電池的充電要很小心。基本的概念是,首先先以定電流充到每個電池芯都是4.2 V 。然後充電器必須切換成定電壓模式,隨著充電電流的減少,充電器必須使電池芯維持在4.2 V,直到電流小到某個初始充電電流的比例時停止充電。有些製造商把規格定在初始電流的2% ~ 3%,雖然其他的數值也是可以的,不過對電池容量的差異很小。

平衡充電則代表充電器會監控每個電池芯,並使每個電池芯都充到相同的電壓。

對鋰電池不建議使用涓流充電[13] 大部分的製造商都把電池芯的最大最小電壓定在4.23V 和3.0V ,任何一個電池芯超出這個範圍都可能會影響整體電池的能力。

大部分好的鋰聚充電器,也使用在時間到時(通常是90分鐘)自動停止充電的充電計時器作為安全裝置。

高達15C(也就是充電電流為15倍的電池容量,大概4分鐘的充電)充電率的鋰聚電池在2013年初的時候,由新種的奈米線鋰聚電池達成。不過這仍然是特例,一般建議的1C充電率仍然是遙控模型玩家的標準。不管最電池能承受多少的充電電流,很重要的是,低一點的充電率能延長航模電池的使用壽命。[來源請求].

放電[编辑]

同樣的,高達70C的連續放電(電流為70倍的電池容量)及140C的瞬間放電也在2013年中實現 (見上方"遙控模型"條目)。這兩種放電的 "C數" 標準都預期會隨著奈米鋰聚電池技術成熟而增加。使用者也同樣會繼續增進他們的使用,緊逼這些高性能锂聚電池的極限。

內部連結[编辑]

外部連結[编辑]

標註[编辑]

  1. ^ 東芝開啟創新充電電池的事業, 新聞稿. Toshiba. 11 December 2007 [25 June 2009]. 
  2. ^ 2.0 2.1 HYPERION G3 Lithium Polymer Batteries. http://www.hyperion-world.com. [2013-01-06]. 
  3. ^ Turnigy nano-tech 1300mAh 3S 45~90C Lipo Pack. HobbyKing.com. [2013-01-08]. 
  4. ^ Turnigy nano-tech A-SPEC 4500mah 10S 65~130C 鋰電池包. HobbyKing.com. [2013-01-06]. 
  5. ^ Lithium Polymer (LiPo) Basics. HobbyKing.com. [2013-01-06]. 
  6. ^ Turnigy nano-tech product page. HobbyKing.com. [2013-01-06]. 
  7. ^ G6 BATTERY SERIES - The next generation of LiPo battery performance is here!. thunderpowerrc.com/. [2013-01-06]. 
  8. ^ LiPo BATTERIES - Genesis Power product page. bananahobby.com. [2013-01-06]. 
  9. ^ Brown, Warren. 2011 Hyundai Sonata Hybrid: Hi, tech. Bye, performance. Washington Post. 3 November 2011 [25 November 2011]. 
  10. ^ New Audi A2 electric car sets long-distance record, Deutsche Welle, 26 October 2010
  11. ^ Shawn Lawless and Lemon Juice Breaks into the 9's at 132 mph, National Electric Drag Racing Association, 14 January 2012
  12. ^ FAA Battery Incident Chart, 利用穿孔來誘導鋰離子聚合物與空氣接觸時的自燃 Ex: Entry for 11-Dec-2007
  13. ^ PowerStream.com, 2010-03-17, http://www.powerstream.com/li.htm

其他[编辑]