Lityum polimer pil

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Bir akıllı telefona güç sağlamak için kullanılan bir lityum polimer pil

Lityum polimer pil veya daha doğrusu lityum-iyon polimer pil ( LiPo, LIP, Li-poly, lithium-poly), sıvı elektrolit yerine jel polimer elektrolit kullanan, lityum-iyon teknolojisine sahip şarj edilebilir bir pildir. Bu piller, diğer lityum pil türlerinden daha yüksek özgül enerji sağlar ve mobil cihazlar, radyo kontrollü uçaklar ve bazı elektrikli araçlar gibi ağırlığın kritik bir özellik olduğu uygulamalarda kullanılır.[1]

Tarih[değiştir | kaynağı değiştir]

LiPo hücreler, lityum-iyon ve lityum-metal pillerin tarihini takip ediyor. Bundan sonra, düz kese formatı da dahil olmak üzere diğer ambalaj formları gelişti.[2]

Tasarım ve terminoloji[değiştir | kaynağı değiştir]

Lityum polimer hücreler, lityum iyon ve lityum metal pillerden evrimleşmiştir. Farkı pilin organik bir solventte ( EC / DMC / DEC gibi) tutulan lityum tuzu elektrolit ( LiPF <sub id="mwLw">6</sub> gibi) yerine poli(etilen) oksit) (PEO), poli(akrilonitril) (PAN), poli(metil metakrilat) (PMMA) veya poli(viniliden florür) (PVdF) gibi katı polimer elektrolit (SPE)ler kullanmasıdır.

Katı elektrolit tipik olarak üçe ayrılır: kuru SPE, jelleşmiş SPE ve gözenekli SPE. Kuru SPE prototip pillerde ilk kez 1978'de Michel Armand,[3][4] 1985'te ANVAR ve Fransa'dan Elf Aquitaine ve Kanada'dan Hydro-Québec tarafından kullanıldı.[5] 1990'dan itibaren Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Mead ve Valence ve Japonya'daki GS Yuasa gibi birkaç kuruluş, jelleşmiş SPE'ler kullanan piller geliştirdi.[5] 1996'da Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bellcore, gözenekli SPE kullanan şarj edilebilir bir lityum polimer hücreyi duyurdu.[5]

Tipik bir hücrenin dört ana bileşeni vardır: pozitif elektrot, negatif elektrot, ayırıcı ve elektrolit. Ayırıcı, mikro gözenekli bir polietilen (PE) veya polipropilen (PP) gibi bir polimer filmi olabilir. Buna ek olarak, pozitif elektrot ayrıca üç kısma ayrılabilir: lityum geçiş-metali oksit (LiCoO 2 veya LiMn2O4 gibi).[6][7] Negatif elektrotta lityum metal oksit yerine karbon kullanılabilir.[6][7] Lityum iyon polimer hücreler ile lityum iyon hücreler arasındaki temel fark, elektrolitin fiziksel fazıdır; öyle ki LiPo hücreler kuru, katı veya jelimsi elektrolitler kullanırken Li-ion hücreler sıvı elektrolitler kullanır.

Çalışma prensibi[değiştir | kaynağı değiştir]

Tıpkı diğer lityum-iyon hücrelerde olduğu gibi, LiPo'lar, lityum iyonlarının interkalasyonu ve de-interkalasyonu ilkesi üzerinde çalışır. Elektrotların doğrudan birbirine temas etmesini önleyen, sadece iyon geçişine izin veren mikro gözenekli bir ayırıcı bulunur.

Voltaj ve şarj durumu[değiştir | kaynağı değiştir]

Tek bir LiPo hücresinin voltajı kimyası ve şarj durumuna göre değişir; lityum-metal oksitlere (LiCoO 2 gibi) dayalı hücreler için yaklaşık 4,2 V (tamamen şarjlı) ile yaklaşık 2,7–3,0 V (tamamen boşalmış) ortalama 3,6 veya 3,7 arasındadır. Bu, lityum-demir-fosfat (LiFePO 4 ) bazlı olanlar için 3,6–3,8 V (yüklü) ila 1,8–2,0 V (deşarj durumu) ile karşılaştırılabilir.

Pillerin kullanımı aşırı şarjı elektronik devre ile korunması gerektiği anlayışıyla, tam voltaj değerleri ürün veri sayfalarında belirtilmelidir.

Hücrelerin seri ve paralel bağlı olduğu LiPo pil paketleri, her hücre için ayrı pin çıkışlarına sahiptir. Özel bir şarj cihazı, şarjı hücre bazında izleyebilir, böylece tüm hücreler aynı şarj durumuna getirilir.

LiPo hücrelerine baskı uygulamak[değiştir | kaynağı değiştir]

NASA için Lockheed-Martin tarafından yapılmış deneysel bir lityum-iyon polimer pil

Sert bir metal kasaya sahip lityum-iyon silindirik ve prizmatik hücrelerin aksine, LiPo piller esnek, folyo tipi ( laminat ) bir kasaya sahiptir, bu nedenle nispeten serbesttirler. Hücreyi oluşturan katman yığını üzerindeki orta dereceli basınçla bileşenler arasındaki temas maksimize edilir ve hücre empedansı ve bozulmasının artmasıyla ilişkili olan delaminasyon ve deformasyon önlenir ve kapasitenin korunmasına yardım eder.[8][9]

Uygulamalar[değiştir | kaynağı değiştir]

Su altı araçları için altıgen lityum polimer pil

LiPo hücreleri, üreticilere istenilen hemen her şekle sahip, hafif pilleri üretebilme gibi avantajlar sağlar. Örneğin mobil cihazların ve notebook bilgisayarların alan ve ağırlık gereksinimleri bu şekilde karşılanabilmektedir. Ayrıca, ayda yaklaşık %5 olan kendi kendine deşarj olma oranları da düşüktür.[10]

Dronlar, Radyo kontrollü ekipman ve uçaklar[değiştir | kaynağı değiştir]

RC modelleri için 3 Hücreli LiPo pil

LiPo piller, düşük ağırlık, artmış kapasite ve güç sağlama avantajlarıyla ticari ve hobi uçağı radyo kontrollü uçaklar, radyo kontrollü arabalar, insansız hava araçları ve büyük ölçekli model trenlere güç sağlamak için kullanılabilir. Piller talimatlara uygun olarak kullanılmadığında yangın riskine karşı kullanıcılar uyarılır.[11]

Radyo kontrollü modellerde kullanılan LiPo pilin uzun süreli saklanması için voltaj 3,6~3,9V aralığında olmalıdır, aksi takdirde pil zarar görebilir.[12]

LiPo paketleri ayrıca, NiMH pillere kıyasla daha yüksek deşarj ve daha iyi enerji yoğunluğunun belirgin bir performans kazancına sahip olduğu airsoft'ta yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kişisel elektronik[değiştir | kaynağı değiştir]

LiPo piller, mobil cihazlar, güç bankaları, çok ince dizüstü bilgisayarlar, taşınabilir medya oynatıcıları, video oyun konsolları için kablosuz denetleyiciler, kablosuz PC çevre birimleri, elektronik sigaralar ve küçük form faktörlerinin arandığı ve yüksek enerji yoğunluğunun maliyetten daha ağır bastığı diğer uygulamalarda yaygındır.

Elektrikli araçlar[değiştir | kaynağı değiştir]

Hyundai Motor Company, bu tür pili bazı elektrikli ve hibrit[13] ve Kia Motors Kia Soul'da kullanıyor.[14] Birkaç şehirde araç paylaşım programlarında kullanılan Bolloré Bluecar da bu tip pil kullanıyor.

Kesintisiz güç kaynağı sistemleri[değiştir | kaynağı değiştir]

Lityum-iyon aküler, Kesintisiz güç kaynağı (UPS) sistemlerinde giderek yaygınlaşıyor. Geleneksel VRLA aküsüne göre çok sayıda avantaj sunarlar. Güç-boyut ve ağırlık oranları, alanın genellikle önemli olduğu veri merkezleri de dahil olmak üzere kritik güç yedeklemesi gerektiren birçok sektörde büyük bir avantaj olarak görülüyor.[15] Daha uzun döngü ömrü, kullanılabilir enerji (deşarj derinliği) ve termal kaçak da Li-po pillerin VRLA pillere göre kullanılmasının bir avantajı olarak görülüyor.

Atlama başlatıcı[değiştir | kaynağı değiştir]

Bir aracın marş motorunu çalıştırmak için kullanılan pil tipik olarak 12V veya 24V'dur. Aracı acil durumlarda çalıştırmak veya akü güçlendirici olarak seri bağlı üç veya altı LiPo pil (3S1P/6S1P) kullanılabilir. Kurşun asit bataryaların fiyatı daha düşük olmasına karşılık onlar lityum pillerden daha büyük ve ağırdırlar ve bu nedenle bu tür ürünler yerlerini çoğunlukla LiPo pillere veya bazen lityum demir fosfat pillere bırakmışlardır.

Emniyet[değiştir | kaynağı değiştir]

Apple iPhone 3GS'nin kısa devre arızası nedeniyle genişleyen Lityum-iyon pili.

Tüm Li-ion piller, elektrolitin hafif buharlaşması nedeniyle yüksek veya aşırı şarjda genişler. Bu, delaminasyon ve dolayısıyla hücrenin iç katmanlarının kötü temasına neden olabilir, bu da hücre güvenilirliği ve genel döngü ömrünü azaltır.[8] Bu LiPos pillerde belirgindir. Lityum Polimer pillerin güvenlik özellikleri lityum demir fosfat pillerden farklıdır.

Polimer Elektrolitler[değiştir | kaynağı değiştir]

Polimer elektrolitler iki büyük kategoriye ayrılabilir: kuru-katı ve jel polimer elektrolitler.[16] Sıvı ve katı organik elektrolitlerle karşılaştırıldığında, polimer elektrolit, şarj ve deşarj işlemlerinde elektrotların hacmindeki değişikliklere karşı artan direnç, gelişmiş güvenlik özellikleri, mükemmel esneklik ve işlenebilirlik gibi avantajlar sunar.

Başlangıçta lityum tuzları ile şişmiş bir polimer matris olarak tanımlanmış Katı polimer elektrolit şimdi kuru katı polimer elektrolit olarak anılıyor.[16] Lityum tuzları, iyonik iletkenlik için polimer matris içinde çözülür. Fiziksel fazı nedeniyle, oda sıcaklığında zayıf iletkenliğe neden olan zayıf iyon transferi vardır. Oda sıcaklığında iyonik iletkenliği iyileştirmek için jelleşmiş elektrolit eklenir ve bu da jel PE'lerin oluşmasına neden olur. GPE'ler, polimer matrisine bir organik sıvı elektrolit dahil edilerek oluşturulur. Sıvı elektrolit, az miktarda polimer ağ tarafından tutulur, bu nedenle GPE'nin özellikleri, sıvı ve katı elektrolitlerin özellikleri arasında karakterize edilir.[17] İletim mekanizması benzerdir, ancak GPE'ler daha yüksek termal kararlılık ve düşük uçucu yapıya sahiptir, bu da güvenliğe daha fazla katkıda bulunur.[18]

GPE'lere dayalı bir lityum polimer pilin şeması.[19]

Katı polimer elektrolitli lityum piller[değiştir | kaynağı değiştir]

Katı polimer elektrolitli hücreler tam olarak ticarileşmeye ulaşmamış [20] bir araştırma konusudur.[21] Bu tipteki prototip hücrelerin, geleneksel sıvı elektrolitli bir lityum-iyon pil ile tamamen plastik, katı hal bir lityum-iyon pil arasında olduğu düşünülebilir.[22]

En basit yaklaşım, EC/DMC/DEC'de LiPF<sub id="mw3A">6</sub> gibi geleneksel tuz ve çözücülerle jelleştirilmiş poliviniliden florür (PVdF) veya poli(akrilonitril) (PAN) gibi bir polimer matris kullanmaktır.

Nishi, Sony'nin 1988'de (1991'de sıvı elektrolit lityum iyon pilin ticarileştirilmesinden önce) jel polimer elektrolitlere (GPE) sahip lityum iyon piller üzerine araştırma başlattığından bahseder.[23] Bu tip hücre sonunda 1998'de piyasaya çıktı.[23] Bununla birlikte, Scrosati, en katı anlamıyla, jelleşmiş zarların "gerçek" polimer elektrolitler olarak sınıflandırılamayacağını, bunun yerine sıvı fazların polimer matris içinde bulunduğu hibrit sistemler olarak sınıflandırılabileceğini savunuyor.[22] Bu polimer elektrolitler dokunulamayacak kadar kuru olabilseler de yine de %30 ila %50 sıvı çözücü içerebilirler.[24] Bu bağlamda, bir "polimer pilin" ne olduğunun gerçekten nasıl tanımlanacağı açık bir soru olmaya devam ediyor.

Sistem için literatürde kullanılan diğer terimler arasında polimer matris, sıvı solvent ve tuzun kombinasyonunu belirten "hibrit" polimer elektrolit (HPE) deyimi yer alır.[25] Bellcore'un 1996'da [26] "plastik" lityum-iyon hücre (PLiON) olarak adlandırılan ve daha sonra 1999'da ticarileştirilen ilk lityum polimer hücresini geliştirmek için kullandığı buna benzer bir sistemdi.[25]

Katı polimer elektrolit (SPE), polimer ortamında çözücü içermeyen bir tuz çözeltisidir. Örneğin, bir lityum bis(florosülfonil)imid (LiFSI) ve yüksek moleküler ağırlıklı poli(etilen oksit) (PEO),[27] yüksek moleküler ağırlıklı bir poli(trimetilen karbonat) (PTMC),[28][28] polipropilen oksit (PPO), poli[bis(metoksi-etoksi-etoksi)fosfazen] (MEEP), vb.

PEO, esnek etilen oksit segmentleri ve güçlü donör karakter içeren, Li+ katyonlarını kolayca çözen diğer oksijen atomları nedeniyle, lityum tuzları için katı bir çözücü olarak en umut verici performansı sergiler. PEO ayrıca ticari olarak çok makul bir maliyetle temin edilebilir.[16]

Önerilen bu elektrolitlerin performansı genellikle metalik lityum elektrota karşı yarım hücre konfigürasyonunda ölçülür, bu da sistemi " lityum-metal " bir hücre yapar, ancak aynı zamanda lityum-demir-fosfat (LiFePO4) gibi yaygın bir lityum-iyon katot malzemesiyle de test edilmiştir.

Bir polimer elektrolit hücresi tasarlamaya yönelik diğer girişimler, poli(viniliden florür-ko-hekzafloropropilen) /poli(metil metakrilat) (PVDF-HFP/PMMA) gibi mikro gözenekli bir polimer matriste plastikleştirici olarak 1-bütil-3-metilimidazolyum tetrafloroborat ([BMIM]BF4) gibi inorganik iyonik sıvıların kullanımını içerir.[29]

Ayrıca bakınız[değiştir | kaynağı değiştir]

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ Bruno Scrosati, K. M. Abraham, Walter A. van Schalkwijk, Jusef Hassoun (ed), Lithium Batteries: Advanced Technologies and Applications, John Wiley & Sons, 2013 1118615395,page 44
  2. ^ "Lithium Battery Configurations and Types of Lithium Cells". Power Sonic (İngilizce). 25 Mart 2021. 20 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Ekim 2021. 
  3. ^ M. B. Armand; J. M. Chabagno; M. Duclot (20–22 Eylül 1978). "Extended Abstracts". Second International Meeting on Solid Electrolytes. St. Andrews, Scotland.  Yazar eksik |soyadı1= (yardım)
  4. ^ M. B. Armand, J. M. Chabagno; M. Duclot (1979). "Poly-ethers as solid electrolytes". J.N. Mundy (Ed.). Fast ion Transport in Solids. Electrodes and Electrolytes. North Holland Publishers, Amsterdam.  Yazar eksik |soyadı1= (yardım); Birden fazla |editör-ad= ve |editör-ilk= kullanıldı (yardım); r |ad1= eksik |soyadı1= (yardım); r eksik |soyadı2= (yardım)
  5. ^ a b c Murata (3 Ocak 2000). "An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries". Electrochimica Acta. 45 (8–9): 1501-1508. doi:10.1016/S0013-4686(99)00365-5. 
  6. ^ a b Ozawa, Kazunori, (Ed.) (2009). "Chapter 5: Thermodynamics of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries". Lithium ion rechargeable batteries. Wiley-Vch Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN 978-3-527-31983-1.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  7. ^ a b "Chapter 6: Applications of Polyvinylidene Fluoride-Related Materials for Lithium-Ion Batteries". Lithium-ion batteries. Springer. 2009. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  8. ^ a b Vetter (9 Eylül 2005). "Ageing mechanisms in lithium-ion batteries". Journal of Power Sources. 147 (1–2): 269-281. doi:10.1016/j.jpowsour.2005.01.006. 
  9. ^ Cannarella (1 Ocak 2014). "Stress evolution and capacity fade in constrained lithium-ion pouch cells". Journal of Power Sources. 245: 745-751. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.06.165. 
  10. ^ "Lithium Polymer Battery Technology" (PDF). 8 Mart 2014 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Mart 2016. 
  11. ^ "Battery Guide: The Basics of Lithium-Polymer Batteries". Tested. Whalerock Industries. 5 Mart 2015. 16 Mart 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Mart 2017. I’ve not yet heard of a LiPo that burst into flames during storage. All of the fire incidents that I’m aware of occurred during charge or discharge of the battery. Of those cases, the majority of problems happened during charge. Of those cases, the fault usually rested with either the charger or the person who was operating the charger…but not always.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  12. ^ "A LIPO BATTERY GUIDE TO UNDERSTAND LIPO BATTERY". 12 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Eylül 2021. 
  13. ^ "2011 Hyundai Sonata Hybrid: Hi, tech. Bye, performance". Washington Post. 3 Kasım 2011. 18 Ocak 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Kasım 2011.  Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  14. ^ "Sustainability | Kia Global Brand Site". 
  15. ^ "Lithium-ion vs Lithium Iron: Which is the most suitable for a UPS system?". 2 Aralık 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  16. ^ a b c "Polymer electrolytes for lithium polymer batteries". Journal of Materials Chemistry A. 4 (26): 10038-10069. 2016. doi:10.1039/C6TA02621D – Royal Society of Chemistry vasıtasıyla.  Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  17. ^ Cho (May 2019). "Gel Polymer Electrolytes: Gel/Solid Polymer Electrolytes Characterized by In Situ Gelation or Polymerization for Electrochemical Energy Systems (Adv. Mater. 20/2019)". Advanced Materials. 31 (20): 1970144. doi:10.1002/adma.201970144. ISSN 0935-9648. 
  18. ^ "Polymer-Ceramic Composite Electrolyte for Li-Ion Batteries", Encyclopedia of Materials: Plastics and Polymers, Elsevier, 2022, ss. 1031-1039, doi:10.1016/b978-0-12-820352-1.00123-1, ISBN 9780128232910, erişim tarihi: 22 Kasım 2022 
  19. ^ Hoang Huy (1 Mart 2021). "Inorganic Fillers in Composite Gel Polymer Electrolytes for High-Performance Lithium and Non-Lithium Polymer Batteries". Nanomaterials. 11 (3): 614. doi:10.3390/nano11030614. ISSN 2079-4991. PMC 8001111 $2. PMID 33804462. 
  20. ^ "Solid state battery breakthrough could double the density of lithium-ion cells". New Atlas. Gizmag. 27 Kasım 2019. 28 Kasım 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Aralık 2019. 
  21. ^ Wang (November 2019). "Poly(Ionic Liquid)s-in-Salt Electrolytes with Co-coordination-Assisted Lithium-Ion Transport for Safe Batteries". Joule. 3 (11): 2687-2702. doi:10.1016/j.joule.2019.07.008. 
  22. ^ a b "Chapter 8: Lithium polymer electrolytes". Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. 2002. ISBN 0-306-47356-9.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  23. ^ a b Lithium-ion batteries. Springer. 2009. doi:10.1007/978-0-387-34445-4. ISBN 978-0-387-34444-7. 
  24. ^ "Chapter 9: Lithium-Ion cell production processes". Advances in Lithium-ion batteries. Kluwer Academic Publishers. 2002. ISBN 0-306-47356-9.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  25. ^ a b Tarascon (2001). "Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries". Nature. 414 (6861): 359-367. doi:10.1038/35104644. PMID 11713543. 
  26. ^ Tarascon (July 1996). "Performance of Bellcore's plastic rechargeable Li-ion batteries". Solid State Ionics. Elsevier. 86-88 (Part 1): 49-54. doi:10.1016/0167-2738(96)00330-X. 
  27. ^ Zhang (1 Temmuz 2014). "Lithium bis(fluorosulfonyl)imide/poly(ethylene oxide) polymer electrolyte". Electrochimica Acta. 133: 529-538. doi:10.1016/j.electacta.2014.04.099. 
  28. ^ a b Sun (1 Eylül 2014). "Polycarbonate-based solid polymer electrolytes for Li-ion batteries". Solid State Ionics. 262: 738-742. doi:10.1016/j.ssi.2013.08.014. 
  29. ^ Zhai (1 Temmuz 2014). "Study of PVDF-HFP/PMMA blended micro-porous gel polymer electrolyte incorporating ionic liquid [BMIM]BF4 for Lithium ion batteries". Electrochimica Acta. 133: 623-630. doi:10.1016/j.electacta.2014.04.076.