Packs de piles au lithium polymère (Li-Poly)

La cellule lithium-polymère se différencie des systèmes de batteries classiques par le type d'électrolyte utilisé. Le design original, datant des années 1970, utilise un électrolyte polymère solide sec. Cet électrolyte ressemble à un film plastique qui ne conduit pas l'électricité mais permet l'échange d'ions (les ions sont des atomes chargés électriquement ou des groupes d'atomes). L'électrolyte polymère remplace le séparateur poreux traditionnel, qui est imbibé d'électrolyte.

La conception en polymère sec offre des simplifications en ce qui concerne la fabrication, la robustesse, la sécurité et la géométrie à profil mince. Avec une épaisseur de cellule mesurant à peine un millimètre, les concepteurs d'équipements sont laissés à leur propre imagination en termes de forme et de taille.

Malheureusement, le lithium-polymère sec souffre d'une mauvaise conductivité. La résistance interne est trop élevée et ne peut pas fournir les rafales actuelles nécessaires pour alimenter les dispositifs de communication modernes et faire tourner les disques durs des équipements informatiques mobiles. Le chauffage de la cellule à 60°C et plus augmente la conductivité, une exigence qui ne convient pas aux applications portables.

Un compromis et d'ajouter un électrolyte gélifié. Les cellules commerciales utilisent une membrane séparateur/électrolytique préparée à partir du même séparateur en polyéthylène ou polypropylène poreux traditionnel rempli d'un polymère, qui se gélifie lors du remplissage avec l'électrolyte liquide. Ainsi, les cellules de polymère lithium-ion du commerce sont très similaires en chimie et en matériaux à leurs contreparties d'électrolyte liquide.

Le lithium-ion-polymère n'a pas rattrapé son retard aussi rapidement que certains analystes l'avaient prévu. Sa supériorité par rapport aux autres systèmes et ses faibles coûts de fabrication n'ont pas été atteinds. Aucune amélioration des gains de capacité n'est obtenue - en fait, la capacité est légèrement inférieure à celle de la batterie lithium-ion standard. Lithium-ion-polymère trouve son créneau de marché dans des géométries minces comme des batteries pour cartes de crédit et d'autres applications.

Avantages du Lithium Polymère
  • Profil très bas - les batteries ressemblant au profil d'une carte de crédit sont réalisables.
  • Facteur de forme flexible - les fabricants ne sont pas liés par des formats standards. Avec un volume élevé, toute taille raisonnable peut être produite économiquement.
  • Les électrolytes légers et gélifiés permettent un emballage simplifié en éliminant la coquille métallique.
  • Sécurité accrue - plus résistant aux surcharges ; Moins de risque de fuite d'électrolyte.

    Limites de la technologie des batteries au lithium-polymère

    • Densité d'énergie plus faible et diminution du nombre de cycles par rapport au lithium-ion.
    • Cher à fabriquer.
    • Pas de taille standard. La plupart des cellules sont produites pour des marchés de consommation à volume élevé
    • Ratio coût-énergie plus élevé que le lithium-ion

    Restrictions sur la teneur en lithium pour le transport aérien

    Les voyageurs aériens posent la question : " Combien de lithium dans une batterie ai-je le droit d'embarquer ? " Nous distinguons deux types de batteries : le lithium métal et le lithium-ion.

    La plupart des batteries au lithium métal ne sont pas rechargeables et sont utilisées dans les appareils photo argentiques. Les packs Lithium-ion sont des ordinateurs portables, des téléphones cellulaires et des caméscopes rechargeables. Les deux types de batteries, y compris les packs de rechange, sont autorisés en cabine mais ne peuvent pas dépasser la teneur en lithium suivante :

    • 2 grammes pour les batteries lithium-métal ou alliage de lithium
    • 8 grammes pour lithium-ion batteries
    • Les batteries lithium-ion de plus de 8 grammes mais n'excédant pas 25 grammes peuvent être transportées dans des bagages à main si elles sont protégées individuellement contre les courts-circuits et sont limitées à deux batteries de rechange par personne.

    Comment connaître le contenu en lithium d'une batterie lithium-ion ? D'un point de vue théorique, il n'y a pas de lithium métallique dans une batterie lithium-ion typique. Il existe cependant une teneur équivalente en lithium qui doit être prise en compte. Pour une cellule lithium-ion, elle est calculée à 0,3 fois la capacité nominale (en ampères-heures).

    Exemple : Une cellule Li-ion 2Ah 18650 contient 0,6 grammes de lithium. Sur une batterie d'ordinateur portable typique de 60 Wh avec 8 cellules (4 en série et 2 en parallèle), cela représente 4,8g. Pour rester sous la limite de 8 grammes de l'ONU, la plus grande batterie que vous pouvez emmener est de 96 Wh. Ce pack pourrait inclure des cellules de 2,2 Ah dans un arrangement de 12 cellules (4s3p). Si la cellule 2,4Ah était utilisée à la place, le pack devrait être limité à 9 cellules (3s3p).

    Restrictions à l'expédition des batteries au lithium-ion

    Toute personne livrant des batteries lithium-ion en vrac est tenue de respecter les règlements de transport. Cela s'applique aux envois nationaux et internationaux par voie terrestre, maritime et aérienne.

    Les piles au lithium-ion dont la teneur en lithium équivalente dépasse 1,5 grammes ou 8 grammes par batterie doivent être expédiées en tant que « matières dangereuses diverses de classe 9 ». La capacité de la cellule et le nombre de cellules dans un pack déterminent la teneur en lithium.

    Exception est donnée aux emballages contenant moins de 8 grammes de lithium. Si, toutefois, un envoi contient plus de 24 piles au lithium ou 12 piles au lithium-ion, des marques spéciales et des documents d'expédition seront requis. Chaque emballage doit être marqué comme contenant des piles au lithium.

    Toutes les batteries lithium-ion doivent être testées conformément aux spécifications détaillées dans le numéro ONU 3090, indépendamment de la teneur en lithium (Manuel d'épreuves et de critères de l'ONU, partie III, sous-section 38.3). Cette précaution protège contre l'envoi de batteries défectueuses.

    Cellules & batteries doivent être séparées pour éviter le court-circuit et emballées dans des caisses.

Applications typiques des packs de batteries Lithium-polymère

Équipements médicaux portables

  • Pompes à perfusion
  • Systèmes rayons x
  • Respirateurs
  • Défibrilateurs
  • Instruments chirurgicaux
  • Dispositifs de surveillance patient
  • Lits et chariots motorisés
  • Stilmlateurs musculaires

Électronique portable

  • Imprimantes portables
  • Appareils de mesure
  • Dispositifs de collecte de données
  • Détection de gaz des systèmes
  • Image capture dispositifs

Sûreté et sécurité

  • Caméras de vision nocturne
  • Équipement de surveillance
  • Dispositifs d'imagerie thermique
  • Systèmes de détection de gaz portable
  • Respirateurs
  • Alarmes personnelles

Militaire

  • Équipements de communications portables renforcés
  • Équipements informatiques renforcés
  • Outils électriques et appareils
  • Équipement de mesure et les lasers
  • Équipement de construction/montage

Communications

  • Téléphones mobiles
  • Périphériques électroniques mobiles
  • Ordinateurs industriels mobiles

The lithium-polymer cell differentiates itself from conventional battery systems in the type of electrolyte used. The original design, dating back to the 1970s, uses a dry solid polymer electrolyte. This electrolyte resembles a plastic-like film that does not conduct electricity but allows ion exchange (ions are electrically charged atoms or groups of atoms). The polymer electrolyte replaces the traditional porous separator, which is soaked with electrolyte.

The dry polymer design offers simplifications with respect to fabrication, ruggedness, safety and thin-profile geometry. With a cell thickness measuring as little as one millimeter (0.039 inches), equipment designers are left to their own imagination in terms of form, shape and size.

Unfortunately, the dry lithium-polymer suffers from poor conductivity. The internal resistance is too high and cannot deliver the current bursts needed to power modern communication devices and spin up the hard drives of mobile computing equipment. Heating the cell to 60°C (140°F) and higher increases the conductivity, a requirement that is unsuitable for portable applications.

To compromise, some gelled electrolyte has been added. The commercial cells use a separator/ electrolyte membrane prepared from the same traditional porous polyethylene or polypropylene separator filled with a polymer, which gels upon filling with the liquid electrolyte. Thus the commercial lithium-ion polymer cells are very similar in chemistry and materials to their liquid electrolyte counter parts.

Lithium-ion-polymer has not caught on as quickly as some analysts had expected. Its superiority to other systems and low manufacturing costs has not been realized. No improvements in capacity gains are achieved - in fact, the capacity is slightly less than that of the standard lithium-ion battery. Lithium-ion-polymer finds its market niche in wafer-thin geometries, such as batteries for credit cards and other such applications.

Lithium Polymer Advantages

  • Very low profile - batteries resembling the profile of a credit card are feasible.
  • Flexible form factor - manufacturers are not bound by standard cell formats. With high volume, any reasonable size can be produced economically.
  • Lightweight - gelled electrolytes enable simplified packaging by eliminating the metal shell.
  • Improved safety - more resistant to overcharge; less chance for electrolyte leakage.

Limitations of Lithium-Polymer Battery Technology

  • Lower energy density and decreased cycle count compared to lithium-ion.
  • Expensive to manufacture.
  • No standard sizes. Most cells are produced for high volume consumer markets
  • Higher cost-to-energy ratio than lithium-ion

Restrictions on lithium content for air travel

Air travelers ask the question: "How much lithium in a battery am I allowed to bring on board?" We differentiate between two battery types: Lithium metal and lithium-ion.

Most lithium metal batteries are non-rechargeable and are used in film cameras. Lithium-ion packs are rechargeable and power laptops, cellular phones and camcorders. Both battery types, including spare packs, are allowed as carry-on but cannot exceed the following lithium content:

  • 2 grams for lithium metal or lithium alloy batteries
  • 8 grams for lithium-ion batteries
  • Lithium-ion batteries exceeding 8 grams but no more than 25 grams may be carried in carry-on baggage if individually protected to prevent short circuits and are limited to two spare batteries per person.

How do I know the lithium content of a lithium-ion battery?

From a theoretical perspective, there is no metallic lithium in a typical lithium-ion battery. There is, however, equivalent lithium content that must be considered. For a lithium-ion cell, this is calculated at 0.3 times the rated capacity (in ampere-hours).

Example: A 2Ah 18650 Li-ion cell has 0.6 grams of lithium content. On a typical 60 Wh laptop battery with 8 cells (4 in series and 2 in parallel), this adds up to 4.8g. To stay under the 8-gram UN limit, the largest battery you can bring is 96 Wh. This pack could include 2.2Ah cells in a 12 cells arrangement (4s3p). If the 2.4Ah cell were used instead, the pack would need to be limited to 9 cells (3s3p).

Restrictions on Shipment of Lithium-ion Batteries

Anyone shipping lithium-ion batteries in bulk is responsible to meet transportation regulations. This applies to domestic and international shipments by land, sea and air.

Lithium-ion cells whose equivalent lithium content exceeds 1.5 grams or 8 grams per battery pack must be shipped as "Class 9 miscellaneous hazardous material." Cell capacity and the number of cells in a pack determine the lithium content.

Exception is given to packs that contain less than 8 grams of lithium content. If, however, a shipment contains more than 24 lithium cells or 12 lithium-ion battery packs, special markings and shipping documents will be required. Each package must be marked that it contains lithium batteries.

All lithium-ion batteries must be tested in accordance with specifications detailed in UN 3090 regardless of lithium content (UN manual of Tests and Criteria, Part III, subsection 38.3). This precaution safeguards against the shipment of flawed batteries.

Cells & batteries must be separated to prevent short-circuiting and packaged in strong boxes.

Typical Applications of Lithium-Polymer Battery Packs

Portable Medical Equipment

  • Infusion pumps
  • Portable X-ray systems
  • Respirators
  • Defibulators
  • Surgical tools
  • Patient monitoring devices
  • Motorized beds and carts
  • Muscle stimulators

Handheld Electronics

  • Handheld printers
  • Measurement devices
  • Data collection devices
  • Gas detection systems
  • Image capture devices

Safety and Security

  • Night vision cameras
  • Surveillance equipment
  • Thermal imaging devices
  • Wearable gas detection systems
  • Respirators
  • Personal alarms

Military

  • Ruggedized Portable communications equipment
  • Ruggedized Computing devices
  • Power Tools and Appliances
  • Measuring equipment and Lasers
  • Construction/Assembly equipment

Communications

  • Mobile Phones
  • Mobile Electronic Devices
  • Mobile industrial Computers
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