鋰聚合物電池(LiPo電池)，也被稱為鋰聚合物、聚合物鋰離子電池、PLiON等多種名稱，是一種可充電鋰離子電池，其電解質(zhì)采用傳統(tǒng)鋰離子電池中使用的液態(tài)電解質(zhì)中的聚合物電解質(zhì)。有各種LiPo化學(xué)成分可供選擇。它們都使用高導(dǎo)電性凝膠聚合物作為電解質(zhì)。相比其他鋰電池，LiPo電池提供更高的比能量，常用于重量是重要因素的系統(tǒng)中，例如移動(dòng)設(shè)備、無(wú)人機(jī)和一些電動(dòng)車輛。本常見問題解答開始時(shí)將對(duì)Li-ion電池和LiPo電池進(jìn)行高層次的比較，然后詳細(xì)介紹適用于LiPo電池的六種基本鋰電池化學(xué)成分。最后，還展望了未來可能出現(xiàn)的鋁空氣聚合物電池和固態(tài)電池的發(fā)展。
所有鋰電池都包含一個(gè)隔離層，用于分離負(fù)極和正極，同時(shí)也允許離子在電極之間移動(dòng)。在LiPo電池中，聚合物隔離層也包含電解質(zhì)。此外，聚合物隔離層還可以提供額外的功能，作為“斷路隔離層”，在充電或放電過程中如果電池過熱時(shí)，可以使電池?cái)嚅_電路。斷路隔離層是多層結(jié)構(gòu)，至少有一層聚乙烯可以在溫度升高時(shí)阻止電流流動(dòng)，至少有一層聚丙烯起到隔離層的機(jī)械支撐作用。
鋰離子從正極和負(fù)極之間的插層和脫層。除了聚合物隔離層外，LiPo電池的工作原理與鋰離子電池相同。然而，它們的封裝方式卻有很大不同。
Li-ion電池通常使用不銹鋼或鋁制外殼。外殼通常是圓柱形，但也可以是按鈕形或矩形(長(zhǎng)方體)。外殼的生產(chǎn)成本相對(duì)較高，并且傾向于限制可用的尺寸和形狀。但外殼也很堅(jiān)固，有助于保護(hù)電池免受損壞。外殼使用激光焊接工藝密封。
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有大量的組件
LiPo電池采用鋁箔“袋式”封裝，被稱為軟性或袋式電池。袋式電池的外殼大多為長(zhǎng)方體形狀，制造工藝更簡(jiǎn)單，成本較鋰離子電池的不銹鋼或鋁制外殼更低。這種構(gòu)造類型還可以生產(chǎn)具有各種自定義配置的電池。LiPo電池的其他組件包括薄薄的層(<100 μm)，可以以相對(duì)較低的成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。用鋁箔袋代替金屬外殼可以實(shí)現(xiàn)高能量密度和輕量化的電池?？梢詫?shí)現(xiàn)大尺寸和小于1毫米的高度，但電池需要進(jìn)行仔細(xì)的機(jī)械處理。
鋰聚合物電池袋結(jié)構(gòu)
LiPo的使用面臨著許多與Li-ion相同的挑戰(zhàn)，包括過充、過放、超溫操作和內(nèi)部短路。此外，對(duì)LiPo袋的碾壓或釘子穿刺可能導(dǎo)致從袋破裂到電解液泄漏和火災(zāi)等災(zāi)難性故障。
與Li-ions一樣，LiPo在過充時(shí)可能會(huì)膨脹，這是由于電解液的汽化引起的。電解液的汽化可能導(dǎo)致層間分離，導(dǎo)致電池內(nèi)部層之間的接觸不良，降低可靠性和循環(huán)壽命。這種膨脹對(duì)LiPo電池來說尤為明顯，它們可以真的膨脹起來。它還可能對(duì)宿主系統(tǒng)造成結(jié)構(gòu)性損壞。
下表比較了六種基本鋰電池化學(xué)成分的電壓和典型應(yīng)用。這些電池的其他特點(diǎn)包括：
?LCO(鋰鈷氧化物)- 200Wh/kg，具有高功率輸出能力，但相對(duì)壽命較短，功率評(píng)級(jí)低，熱穩(wěn)定性也較低。
?LFP(鋰鐵磷酸鹽)- 120Wh/kg，具有長(zhǎng)循環(huán)壽命和高溫穩(wěn)定性。
?LMO(鋰錳氧化物)- 140Wh/kg，負(fù)極基于錳氧化物組分，豐富、廉價(jià)、無(wú)毒，并且具有良好的熱穩(wěn)定性。
?NCA(鎳鈷鋁氧化物)- 250Wh/kg，具有高比能量和長(zhǎng)循環(huán)壽命。
?NMC(鎳錳鈷氧化物)- 200Wh/kg，通過調(diào)整化學(xué)成分的比例，可以開發(fā)出適用于功率或能量應(yīng)用的優(yōu)化電池。由于其靈活性，它是最成功的鋰電池化學(xué)系統(tǒng)之一。
?LTO(鋰鈦酸鋰)- 80Wh/kg，比能量最低，但可以快速充放電，最高可達(dá)額定容量的10倍，并且安全性較高。
鋰電池的電壓和應(yīng)用的比較
請(qǐng)注意，NMC、LCO和NCA電池中含有的鈷元素有助于提供更高的功率能力。它們可以在小型包裝中提供大量的功率，但對(duì)熱事件更敏感，可能導(dǎo)致安全問題。
下圖包含了基于其在電動(dòng)車(EV)中使用適宜性的蛛網(wǎng)圖，比較了基本類型的鋰電池。在這些蜘蛛圖中，更適用于EV的電池具有較大的著色區(qū)域?？紤]的因素包括比能量、比功率、安全性、性能、壽命和成本。比能量(Wh/kg)與EV的續(xù)航里程相關(guān)。比功率(W/kg)與EV的加速性能相關(guān)。特別是對(duì)于EV來說，安全性是一個(gè)重要的考慮因素。性能參數(shù)反映了電池在極端溫度條件下的使用能力，這在汽車應(yīng)用中也是一個(gè)重要考慮因素。壽命是循環(huán)壽命和使用壽命的綜合。成本試圖捕捉所有相關(guān)成本，包括用于熱管理、安全性、電池管理和監(jiān)控的輔助系統(tǒng)以及EV中延長(zhǎng)保修期的需求。
衡量是否適合用于電動(dòng)汽車的各種鋰離子化學(xué)材料的性能比較
LiPo電池化學(xué)成分
聚合物電解質(zhì)使得LiPo電池具有多項(xiàng)性能優(yōu)化，包括高能量密度和輕量化。根據(jù)聚合物層的結(jié)構(gòu)，它還可以增強(qiáng)電池的安全性。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，LiPo電池可以制造出具有更廣范圍比能量密度(Wh/kg)和比功率密度(W/kg)的電池，使得LiPo電池在更廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域具有更高的靈活性。因此，LiPo技術(shù)被應(yīng)用于主要的鋰電池化學(xué)體系中：
★鋰鈷酸鋰電池(LCO)
★鋰離子三元電池(NCA，NMC)
★鋰錳酸鋰電池(LMO)
★鋰鐵磷酸鹽電池(LFP)
能量密度和功率密度對(duì)比圖，比較了鋰離子電池、LiPo(PLiON)和其他可充電電池
鋁空氣和固態(tài)聚合物電池
鋁空氣聚合物電池正在積極開發(fā)中。這些高能量密度設(shè)計(jì)中，聚合物隔離層直接與鋰負(fù)極接觸，將其與正極隔離開來。與其他聚合物電池一樣，隔離層可以防止電池短路，并吸收液態(tài)電解液以支持離子傳輸并完成電路。
然而，鋰負(fù)極在電池循環(huán)過程中可能會(huì)形成樹枝狀結(jié)構(gòu)。這些樹枝狀結(jié)構(gòu)可能穿透聚合物隔離層并縮短電池壽命。目前正在開發(fā)修改后的隔離層，其中包括氧化石墨烯層。氧化石墨烯可以保護(hù)負(fù)極免受污染物的影響，并防止鋰負(fù)極表面的化學(xué)波動(dòng)。氧化石墨烯與聚合物層共同作用，可以在不顯著降低離子傳導(dǎo)性的情況下阻止電解液與鋰負(fù)極的直接接觸。這種組合結(jié)構(gòu)可以減緩負(fù)極上的電解液腐蝕。希望未來使用兩種類型的層來穩(wěn)定鋰負(fù)極，從而實(shí)現(xiàn)能量密度非常高且循環(huán)壽命合理的電池。
還正在開發(fā)使用真正固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)替代現(xiàn)有膠凝膜的電池。現(xiàn)在的LiPo電池被認(rèn)為是傳統(tǒng)鋰離子電池和完全固態(tài)鋰離子電池之間的“混合”系統(tǒng)。膠凝膜是混合系統(tǒng)，其中液態(tài)相位被包含在聚合物基質(zhì)中。雖然它們?cè)谟|摸時(shí)可能感覺干燥，但它們可以含有高達(dá)50%的液態(tài)溶劑?，F(xiàn)在的系統(tǒng)也被稱為混合聚合物電解質(zhì)(HPE)系統(tǒng)，它們結(jié)合了聚合物材料、液態(tài)溶劑和鹽。正在開發(fā)中的SPE完全不含溶劑，而是使用聚合物介質(zhì)。
新的固態(tài)結(jié)構(gòu)還可以使用與基于液態(tài)電池化學(xué)成分(如鋰離子電池)不兼容的低成本和高比能量轉(zhuǎn)換型正極。一個(gè)例子是專有的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，它支持高含量硅和鋰金屬作為負(fù)極，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)成熟的正極(包括鋰鎳錳鈷氧化物，即NMC)配對(duì)。新的正極可以與鋰金屬結(jié)合，去除鈷和鎳，并可能將正極活性材料成本降低90%。
固態(tài)電池開發(fā)路線圖移除了陰極(最右側(cè))中的鈷和鎳
已經(jīng)成功制造了固態(tài)電池，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子設(shè)備和工藝，容量為2Ah。預(yù)計(jì)到2021年底將開始商業(yè)化生產(chǎn)容量為20Ah的高含量硅負(fù)極電池，并計(jì)劃在2022年推出容量為100Ah的電池。
總之鋰聚合物電池與鋰離子電池相比，LiPo電池提供了多項(xiàng)性能優(yōu)勢(shì)，包括更高的能量密度和更輕的重量。此外，LiPo電池可以生產(chǎn)出更多形狀和尺寸的電池。然而，目前的LiPo電池使用的是膠凝膜而不是完全固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)。正在開發(fā)的SPE技術(shù)有望在特定應(yīng)用中延伸LiPo電池的性能優(yōu)勢(shì)。鋁空氣聚合物電池具有非常高的能量密度(從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車更長(zhǎng)的續(xù)航里程)和良好的循環(huán)壽命。預(yù)計(jì)在2021年后期將推出完全固態(tài)的大尺寸鋰電池。