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锂离子聚合物电池

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锂离子聚合物电池
用于驱动手机的锂离子聚合物电池
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, 取决于化学反应

锂聚合物电池(英语:lithium polymer,缩写:Li-Po),又称聚合物锂电池聚锂电池,是一种锂离子电池。锂聚电池通常是由数个相同的平行子电池芯(secondary cells)来增加放电电流,或由数个电池包(pack)串联来增加可用电压

锂聚电池虽常常被简称为锂电池锂离子电池,但从严格意义上讲并不完全相同。锂电池(Lithium battery)指锂原电池,内含纯态的锂金属,为一次性使用、不可充电

锂离子电池为锂聚电池的前身,主要差异为电解质使用液态有机溶液而非胶状或固态的聚合物

历史

洛克希德马丁公司为NASA制作的实验锂离子聚合物电池
洛克希德马丁公司为NASA制作的实验锂离子聚合物电池

锂离子聚合物电池是由锂离子电池演化而来。最主要的差异是电池中锂盐的电解质是由固态的聚合物聚乙二醇聚丙烯腈所携带、而非锂离子电池使用的有机溶液。锂聚电池比起锂离子电池,具有更低的制造成本的可能性[来源请求]、更有弹性的包装形状选择、可靠度、和耐用性的优点。而缺点是其充电电容量较小。锂聚电池最初大约在1995年的消费性电子产品中出现。[1][2]

现今生产的商用锂聚电池是以具弹性的软膜式的层压包装,与具金属硬壳的柱状的锂离子电池有所不同。锂离子电池的硬壳需要提供把绝缘体电极固定在一起的压力,而锂聚包装由于电极片和绝缘体是层叠在彼此上面而不需要这样的压力(大部分不需要)。由于缺少了金属硬壳,这样的电池包可以比硬式电池本身减少20%的重量。

锂聚电池的电压在2.7伏特(放完电)到大约4.23伏特(完全充电)之间变化。为了防止过充,锂离子电池在串联包装的情况下,每一颗电池的电压都要限制在4.235伏特以下。

在发展初期,锂聚电池有高内阻的问题。其他的限制还包含了,与现有电池比起来较长的充电时间及较低的最大放电能力。2007年十二月,东芝公司发表了能更快充电的新设计,这样的产品预计2008年五月上市时会大幅改变现有的消费性电子产品、电动工具及电动车的市场结构[3]。更近期的发展更让最大放电电流从原来2倍左右的容量(以安培小时为单位)进步到65甚至是90倍,反过来说也达到快速充电的目标。

锂聚电池的寿命也较长,近年来开始宣称电池在衰退到80%的容量前能完成1000次的重复充放循环,比锂离子电池的300-500次要好,但强调进行100%彻底放电损耗是最大的,根据制造商的保养说明,若只放电85%每次留下一些余量,则衰减速度还会进一步减缓,在这种使用条件下可达到5000次以上,而另外一种锂电池"薄膜锂电池英语Thin film rechargeable lithium battery"更具有超过10,000次的循环能力[来源请求]

原理

目前市面上有两种已经商业化的科技都统称为锂离子聚合物(其中“聚合物”代表“电解质隔离聚合物”)。

电池由以下部分组成:

  • 正极:LiCoO2 二氧化锂钴 或 LiMn2O4 四氧化锂二锰
  • 隔膜:导电电解质聚合物 (例如:聚乙二醇,PEO)
  • 负极:锂或锂炭嵌入 (化学)化合物

典型反应:(放电)

  • 负极:(Carbon-Lix) → C + xLi+ + xe
  • 隔膜: Li+ 导电
  • 正极: Li1−xCoO2 + xLi+ + xe → LiCoO2
  • 总反应:(碳-xLi+ + xe) + Li1-xCoO2 → LiCoO2 + 碳

电解质/隔膜聚合物可以是固体聚合物,例如聚乙二醇(PEO)、加上六氟化磷酸锂英语lithium hexafluorophosphate(LiPF6)、或其他可导电的盐类加上二氧化硅或其他能增强机械性质的填充材料(这样的方式尚未商业化)。在安全性的要求下,一般电池都使用碳嵌入锂的方式作为电池负极,除了例如 Avestor (与 Batscap 合并之后)的某些制造商使用金属态的锂当负极(称为锂金属聚合物电池)。

这两种商业化的电池都是将胶状溶剂和盐类如碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸二乙酯(DEC)涂在聚偏氟乙烯英语Polyvinylidene fluoride(PVdF)聚合上。不同之处在于(Bellcore/Telcordia 的技术)使用锂锰酸盐英语lithium permanganate(LiMn2O4)当正极;而传统方式则是使用钴锂氧化物英语lithium cobalt oxid(LiCoO2)。

虽然商业上尚未普及,但有其他不同的锂聚电池也在正极使用聚合物。例如:Moltech 正在发展的,以导电塑胶及碳-硫化合物制成的正极。不过到2005年为止,这种技术似乎有自放的问题同时生产成本也过高。

其他的方法包含使用含硫有机化合物导电聚合物作为正极,例如聚苯胺。这种方式能做出很好高放电能力,包含低内阻和高放电容量,但存在循环次数不足及成本过高问题。

应用

锂聚最有竞争力的特色是,锂聚电池几乎可以说是能被做成各种形状。这样的特色使他在追求轻薄短小的手机制造业中占有一席之地。

气枪玩家也逐渐转换成锂聚电池,因为锂聚不但能自由塑形,还能提供更高的出弹速率。

遥控模型

遥控模型用的3电池芯(3S)的锂聚电池
遥控模型用的3电池芯(3S)的锂聚电池

因为其低重量、高放电、和低廉的价格,使锂聚电池在遥控飞机遥控车和大型火车模型的领域中广泛地受到欢迎。低电压切断(LVC,low voltage cutoff)使每一颗电池芯在负载的情况下都保持在3.2V以上(一般来说)[4]。在2013年初,锂聚电池已经被广泛的应用,一般普遍较低放电能力的电池(45C连续放电,90C瞬间最大放电)已经非常普遍[5],而最好的甚至已经能再有250个充放循环下达到5~15C的充电能力,及65C的连续放电,和130C的瞬间放电能力[6][7]

随身电子产品

锂聚电池同样在PDA笔记型电脑手机领域中占有重要定位,微型GPS追踪装置也靠锂离子电池提供数天到数周的充电周期。锂聚同样也被用在小型便携式媒体播放器平板电脑及电动的无线控制器。锂聚电池也在电子香烟界受到欢迎。凡是需要小体积、高能量密度、低价考量的状况下都是锂聚电池的应用场景。

电动车

这种电池同样也推动了次世代的电动车。目前电动车的价格远高于一般汽油车,但随着产量及科技的发展,锂聚电池的价格也会跟着下降现代汽车在他们的油电混合车上使用这种电池。[8]在2010年十月26日,纯锂聚驱动的Audi A2创下在一次充电中行驶600公里的纪录。[9] 从2011年开始,超过百万瓦的锂聚电池已经协助创下多次直线加速赛的世界纪录[10]

使用

充电

锂聚电池的充电要很小心。基本的概念是,首先先以定电流充到每个电池芯都是 4.2 V。然后充电器必须切换成定电压模式,随着充电电流的减少,充电器必须使电池芯维持在 4.2 V,直到电流小到某个初始充电电流的比例时停止充电。有些制造商把规格定在初始电流的 2%-3%,虽然其他的数值也是可以的,不过对电池容量的差异很小。

平衡充电则代表充电器会监控每个电池芯,并使每个电池芯都充到相同的电压。

对锂电池不建议使用涓流充电[11]。大部分的制造商都把电池芯的最大最小电压定在4.23V 和3.0V ,任何一个电池芯超出这个范围都可能会影响整体电池的能力。

大部分好的锂聚充电器,也使用在时间到时(通常是90分钟)自动停止充电的充电计时器作为安全装置。

高达15C(也就是充电电流为15倍的电池容量,大概4分钟的充电)充电率的锂聚电池在2013年初的时候,由新种的奈米线锂聚电池达成。

放电

同样的,高达70C的连续放电(电流为70倍的电池容量)及140C的瞬间放电也在2013年中实现 (见上方“遥控模型”段落)。这两种放电的 “C数” 标准都预期会随着奈米锂聚电池技术成熟而增加。使用者也同样会继续增进他们的使用,紧逼这些高性能锂聚电池的极限。

限制

此限制需要补充更多来源,建议限制。 (2013年12月)请协助添加多方面可靠来源以改善这篇条目,无法查证的内容可能会因为异议提出而移除。
  • 所有的锂离子电池都具有很高的电量状态(SOC),可能导致层分离、寿命减低和效能降低的问题。在硬式电池中,硬壳能防止极层分离,但是软包装的锂聚电池包本身没有这样的压力。为了维持表现,电池本身需要外壳来保持原来的形状。
  • 锂聚电池过热可能导致膨胀或起火。
  • 在负载放电时,当任何电池芯(串联情况下)低于3.0伏特时都应该立即停止负载供电,不然将导致电池没办法回到完全充电的状态。或造成日后在负载供电时会大幅的压降(内阻升高)。这个问题可以透过与电池串连的芯片来防止电池过充与过放。
  • 锂离子电池比起来,锂聚电池的充放循环寿命比较不那么具竞争力。
  • 为了防止爆炸与起火,充电时锂聚电池需使用专为锂聚设计的充电器。
  • 若直接把电池短路或短时间内通过极大电流也可能导致爆炸。特别是在有大电量需求的遥控模型玩家都会谨慎注意连接点和绝缘。电池遭到穿孔时也可能起火[12]
  • 充电时要采用专门的充电器来使每颗子电池芯平均的充电。这也导致成本的增加。

延长多芯电池使用寿命

在电池包有两种不匹配的方式:比较常见的电量状态(SOC,电池容量的百分比)的不匹配以及容量/能量(C/E)的不匹配。这两者皆会使电池包的容量 (mA·h)被最弱的电池芯限制住。在电池串联或并联的情况下,前级类比端(AFE)能消除电池间的不匹配,大幅增进电池效率和整体容量。电池不匹配的可能性随着电池芯的数量及负载电流的增加而上升。

当电池包中的池芯符合以下两个条件时,我们称为平衡的电池:

  • 如果所有的电池芯都有同样的容量,当他们具有同样的相对电量状态(SOC)时,称谓平衡。开回路电压(OCV)在这种种况下是很好的 SOC 指标。如果把一个不平衡的电池包里面所有的电池芯,都分别充电到完全充电状态(此时即为平衡),则接下来的充放循环也随之回复正常而不需要额外的调整。
  • 如果电池芯之间有不同的容量时,我们仍然把所有电池芯具有相同 SOC 的状态称为平衡。由于 SOC 是相对的量测值(该池芯的剩余放电百分比),每个电池芯剩余的绝对容量则是不同的,电池芯在充放循环中为了使不同容量的电池芯之间保持相同的 SOC,平衡器要提供串联的不同电池芯间不同的电流。

相关词条

参考文献

  1. ^ Li-ion锂离子电池与Li-Polymer 锂聚合物电池比较
  2. ^ 锂聚合物电池和锂离子电池有什么区别?
  3. ^ 东芝开启创新充电电池的事业 (新闻稿). 2007-12-11 [2009-06-25]. 
  4. ^ HYPERION G3 Lithium Polymer Batteries. [2013-01-06]. (原始内容存档于2012-12-20). 
  5. ^ Turnigy nano-tech 1300mAh 3S 45~90C Lipo Pack. HobbyKing.com. [2013-01-08]. (原始内容存档于2013-05-25). 
  6. ^ Turnigy nano-tech A-SPEC 4500mah 10S 65~130C 锂电池包. HobbyKing.com. [2013-01-06]. (原始内容存档于2013-05-25). 
  7. ^ Lithium Polymer (LiPo) Basics. HobbyKing.com. [2013-01-06]. [永久失效链接]
  8. ^ Brown, Warren. 2011 Hyundai Sonata Hybrid: Hi, tech. Bye, performance. Washington Post. 2011-11-03 [2011-11-25]. 
  9. ^ New Audi A2 electric car sets long-distance record, Deutsche Welle, 26 October 2010
  10. ^ Shawn Lawless and Lemon Juice Breaks into the 9's at 132 mph, National Electric Drag Racing Association, 14 January 2012
  11. ^ PowerStream.com, 2010-03-17, http://www.powerstream.com/li.htm
  12. ^ FAA Battery Incident Chart 页面存档备份,存于互联网档案馆, 利用穿孔来诱导锂离子聚合物与空气接触时的自燃 Ex: Entry for 11-Dec-2007

外部链接

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