Litiumpolymeeriakku

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Litiumpolymeeriakku tai litiumionipolymeeriakku on litiumioniakku, jossa litiumioniakuissa tavallisesti käytetty orgaaninen elektrolyytti on korvattu polymeerisellä elektrolyytillä. Polymeerisen elektrolyytin käytössä ideana on, ettei se ole nestemäistä, kuten tavallisissa litiumioniakuissa käytetty orgaaninen liuos, vaan kiinteää. Kiinteä polymeerielektrolyytti (SPE) voidaan valmistaa eri materiaaleista, kuten esimerkiksi polyetyleenioksidista (PEO), polyakryylinitriilistä (PAN), polymetyylimetakrylaatista (PMMA) tai polyvinylideenifluoridista (PVdF). [1][2]

Hyödyt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litiumpolymeeriakku on tavanomaista litiumioniakkua turvallisempi, sillä elektrolyytin vuotovaaraa ei ole. Akusta on tällöin myös mahdollista tehdä taipuisa, lähes minkä tahansa muotoinen ja kevyt, sillä se ei välttämättä vaadi suojaavaa metallikuorta päälle korkean rasituksen kestonsa vuoksi. Polymeerisen elektrolyytin on tarkoitus helpottaa näistä syistä myös erittäin pienikokoisten, jopa kalvomaisten akkujen valmistusta. Orgaaniset elektrolyytit johtavat aina ionien lisäksi myös jonkin verran elektroneja, mistä aiheutuu virtahäviöitä. Polymeerisyyden avulla tavoitellaan elektrolyyttiä, joka toimii täydellisenä eristeenä elektroneille, ja samalla vähintään orgaanisten elektrolyyttien tasoisena ionijohtimena. [2]

Nykyisissä kaupallisissa litiumpolymeeriakuissa on käytössä polymeerilisäaineilla geelimäiseksi muutettu orgaaninen elektrolyytti. Kyseinen ratkaisu ei siis ole aito litiumpolymeeriakku termin alkuperäisessä merkityksessä. Geelimäinen elektrolyytti on kompromissi kiinteiden polymeerielektrolyyttien ja perinteisempien orgaanisten välillä. Klassisiin litiumioniakkuihin verrattuna geeliratkaisulla saavutetaan paremman turvallisuuden lisäksi tehokkaampi tilankäyttö ja vähentyneen suojarakennetarpeen myötä kevyempi kotelointi. Ratkaisulla saadaan hyödynnettyä orgaanisille elektrolyyteille ominaista tämänhetkisiin aitoihin polymeeriratkaisuihin verrattuna korkeaa ionijohtavuutta. [2]

Haasteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Täysin kiinteät polymeerielektrolyytit ovat vielä tutkimusvaiheessa. Niiden ionijohtavuus ei ole vielä tarpeeksi hyvällä tasolla ollakseen käyttökelpoisia litiumioniakuissa. Vuonna 2015 korkeimmat kiinteillä elektrolyyteillä saavutetut ionijohtavuudet olivat vielä luokkaa alle 10^-3S/cm, kun nestemäisillä elektrolyyteillä saavutetaan tähän nähden 3-20 kertainen johtavuus. [2]

Litiumpolymeeriakun huonona puolena on sen pienempi lataussyklien määrä. Litiumioniakulla on noin 1500 lataussykliä, kun litiumpolymeeriakulla niitä on vain noin 600.[2] [3] Litiumpolymeeriakku vaurioituu hyvin helposti, jos sen jännite laskee liian matalaksi. Yleensä kennon jännite annetaan laskea enintään tasolle 2,8 V, kun se on täydessä varauksessa 4,2 V. Jos jännitteen annetaan laskea matalammaksi, akun sisäinen rakenne vaurioituu ja sen lataussyklien määrä putoaa dramaattisesti. Esimerkiksi lataus-purkusyklillä 4,2 V – 2,0 V akku saavuttaa raja-arvona pidetyn 80 % täyttymisasteen rajan jo noin 50 latauskerran jälkeen. Jos lataus-purkusykli on 4,2 V – 1,2 V, niin raja-arvo voi tulla vastaan alle 10 latauskerran jälkeen. [4]

Sovelluskohteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litiumpolymeeriakut soveltuvat samoihin käyttökohteisiin kuin litiumioniakut, sillä ne säilyttävät varauksensa yhtä hyvin. Sekä litiumpolymeeri- että litiumioniakun varaus putoaa kuukaudessa noin 5% täydestä varauksesta. [4]Pienen kokonsa ja helposti muokattavan rakenteensa ansiosta litiumpolymeeriakut soveltuvat hyvin puettavan teknologian virtalähteeksi. [2]

Turvallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litiumpolymeeriakussa ei ole elektrolyytin vuotovaaraa, joka tavanomaisessa litiumioniakussa on. [2]

Vaurioituessaan litiumpolymeeriakut käyttäytyvät samalla tavalla kuin litiumioniakut. Ne saattavat turvota, syttyä tuleen tai pahimmassa tapauksessa jopa räjähtää. Akun turpoamisen tai tuleen syttymisen voi aiheuttaa liian korkea latausvirta, akun kytkeminen oikosulkuun, liian korkea säilytyslämpötila, tai akun fyysinen vaurioituminen. Turpoamiseen johtavaa elektrolyytin höyrystymistä ei kuitenkaan tapahdu niin helposti kuin tavanomaisilla litiumioniakuilla, sillä polymeerisen elektrolyytin höyrystymispiste on huomattavasti nestemäisiä korkeampi.[2] [5]

  1. A. Manuel Stephan, K. S. Nahm: Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer, 26.7.2006, nro 16, s. 5952–5964. doi:10.1016/j.polymer.2006.05.069. Artikkelin verkkoversio.
  2. a b c d e f g h Wu, Yuping: Lithium-Ion Batteries: Fundamentals and Applications. CRC Press, 2015.
  3. Ioannis Hadjipaschalis, Andreas Poullikkas, Venizelos Efthimiou: Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 1.8.2009, nro 6–7, s. 1513–1522. doi:10.1016/j.rser.2008.09.028. Artikkelin verkkoversio.
  4. a b Corey T. Love, A'Dia Gaskins: Performance Loss of Lithium Ion Polymer Batteries Subjected to Overcharge and Overdischarge Abuse. NAVAL RESEARCH LAB WASHINGTON DC, 16.11.2012. Artikkelin verkkoversio. en
  5. Thermo-Chemical Process Associated with Lithium Cobalt Oxide Cathode in Lithium Ion Batteries. InTech, 2010-04-01. Teoksen verkkoversio (viitattu 4.6.2016). en