De verwarring rond lithium polymeer accu’s

Iedereen kent wel lithium accu’s, omdat ze gebruikt worden in mobiele telefoons, camera’s, MP3 spelers enzovoorts. Lithium accu’s hebben veel voordelen ten opzichte van ‘oudere’ accutechnieken, zoals het ontbreken van het geheugeneffect. Tot de nieuwste generatie lithium accu’s behoren de lithium-polymeer batterijen, of beter gezegd lithium-ion polymeer (LiPo, LIP, Li-poly). Dit zijn oplaadbare accu’s met lithium-ion-technologie in een zachte verpakking of ‘zakje’, waardoor ie lichter en flexibel is, in tegenstelling tot cilindrische en prismatische cellen. Dat biedt natuurlijk veel meer toepassingsmogelijkheden.

De benaming ‘lithium-polymeer’ heeft veel verwarring veroorzaakt onder batterijgebruikers. Oorspronkelijk stond ‘lithium-polymeer’ voor een nieuwe technologie die een polymeer (een soort kunststof) elektrolyt gebruikte in plaats van een vloeibaar elektrolyt (elektrolyt is het materiaal waardoor de ionen zich kunnen bewegen). Het resultaat is een ‘plastic’ cel, die in theorie dun en flexibel is en alle vormen kan aannemen, zonder kans op lekkage van elektrolyt. Het duurde echter lang voordat deze technologie volledig klaar was voor massaproductie.

De tweede betekenis verscheen toen fabrikanten de toepassing van het zak-formaat om lithium-ion cellen heen ook ‘polymeer’ gingen noemen. Dit is de meest verbreide gebruik van de term tegenwoordig. Het ging nu niet meer om polymeer als een elektrolyt, maar polymeer als omhulsel (de zachte, externe zak). Het ontwerp is vlak en licht van gewicht, maar het elektrolyt is nog steeds vloeibaar. Deze cellen worden ‘LiPo’ genoemd hoewel ze uit technologisch oogpunt hetzelfde zijn als ‘Li-ion’: de onderliggende elektrochemie is hetzelfde. Dit geldt ook voor LiFePo4 of LFP accu’s, die lithium-ijzer-fosfaat als kathode gebruiken.

Wat is polymeer?
Polymeer is een ‘samenvoeging van diverse materialen’ waaruit een kunststof ontstaat. De meeste kunststoffen zijn polymeren.
De naam ‘lithium polymeer’ (LiPo) voor accu’s werd in eerste instantie gebruikt door bezitters van RC (radio-controlled) modelauto’s, vliegtuigen en drones om hun batterypacks met zacht omhulsel te benamen. De meer algemenere term ‘lithium-ion’ (Li-ion) wordt elders gebruikt, bv. bij mobiele telefoons, laptops, elektrische fietsen en auto’s.

Polymeer als bindmiddel
De verwarring in de namen kwam voort uit de constructie van de oorspronkelijke lithium-ion cel. Deze cel bestaat uit vier hoofdonderdelen: positieve elektrode, negatieve elektrode, separator en elektrolyt. De separator kan een polymeer zijn, zoals een microporeuze folie van polyetheen (PE) of polypropyleen (PP). Ook de elektroden kunnen polymeer bindmiddelen bevatten. Dus elke li-ion cel, zelfs een cel met harde behuizing en vloeibaar elektrolyt, heeft wel iets polymeers in zich. Dit polymeer neemt echter niet deel aan de elektrochemische reacties en is slechts nuttig voor het binden van de actieve deeltjes om goede geleiding te behouden.

Flexibel en licht
De cellen zelf in LiPo accu’s zijn meer dan 20% lichter dan cilindrische cellen met dezelfde capaciteit. Anders dan lithium-ion cilindrische prismatische cellen, die een stijve metalen behuizing hebben, hebben LiPo cellen een flexibele folie-type (polymeer laminaat) behuizing, zodat de accu in allerlei vormen kan worden vervaardigd. Dit is handig wanneer de toepassing kritisch is op omvang en energiedichtheid, zoals de steeds dunner en lichter wordende mobiele telefoons, tablets en ultrabooks. Ook in de RC wereld zijn laag gewicht en grotere capaciteit belangrijke criteria.
Kunnen lithium-ion cellen met polymeerbehuizing ook in auto’s worden toegepast? Het is mogelijk om een groot aantal cellen in te zetten om de vereiste power en energie te verkrijgen voor een auto. Maar fabrikanten hebben liever grootformaat cellen met capaciteiten van 50Ah. Bij zulke hogere energie-inhoud per cel zijn er minder cellen en elektrische aansluitingen nodig in een batterij. Maar er kleven wel veiligheidsrisico’s aan LiPo cellen met zulke hoge capaciteiten.

Opblaasbare accu’s
LiPo cellen hebben dezelfde problemen als andere lithium-ion cellen: overlading, over-ontlading, overmatige hitte, kortsluiting en beschadiging kunnen leiden tot cruciale gebreken, zoals een barstende behuizing (door uitzetting), lekkend elektrolyt en brand.
Alle Li-ion cellen zetten uit bij een hoog laadniveau of overlading, als gevolg van geringe verdamping van het elektrolyt. Dit kan leiden tot delaminatie en dus slecht onderling contact van de inwendige lagen van de cel. Zo vermindert de betrouwbaarheid en de levensduur van de cel. In tegenstelling tot normale Li-ion accu’s hebben LiPo-accu’s geen harde behuizing om deze uitzetting tegen te houden, zodat ze zich zichtbaar kunnen opblazen in deze omstandigheden. Vergeleken met cilindrische Li-ion cellen missen LiPo accu’s geïntegreerde veiligheidsvoorzieningen zoals een stroomonderbreking of hittebeveiliging.

Echte’ polymeer batterijen
Hoewel de naam ‘lithium polymeer’ (LiPo) dus meestal toegepast wordt voor lithium-ion-cellen in flexibel omhulsel met vloeibaar elektrolyt, zijn er ook al elektrochemische cellen met daadwerkelijke, vaste polymere elektrolyten. In plaats van een lithium-zout elektrolyt, gebruiken polymeer batterijen een vast elektrolyt; dit vaste polymeer elektrolyt is droog, gegeleerd of poreus.
Strikt genomen mogen gegeleerde membranen niet worden aangeduid als ‘echte’ polymeer elektrolyten, maar eerder als hybride systemen. Bij zo’n hybride polymeer elektrolyt (HPE) verwijst ‘hybride’ naar de combinatie van polymeer, de vloeistof oplossing en zout. Bellcore ontwikkelde in 1996 al een zo’n soort lithium-polymeer cel, die ze ‘plastic’ lithium-ion (PLiON) noemden. Hoewel deze polymere elektrolyten droog kunnen aanvoelen, bevatten ze nog steeds 30% tot 50% vloeibaar oplosmiddel. Tja, is dat dan een ‘echte’ polymeer batterij?

LMP accu’s in Parijs’ carshare project
De eerste echte commerciële toepassing van heuse lithium-polymeer accu’s met vast elektrolyt lijkt te zijn gevonden door het Franse Bolloré, fabrikant van de BlueCar Autolib’ share-auto’s in Parijs. Zij hebben 400 patenten voor hun lithium-metaal-polymeer accu’s (LMP) gedeponeerd en zijn zó interessant voor de markt dat BMW er al spionnen op af heeft gestuurd om de techniek te stelen.
LMP accu’s karakteriseren zich door hun hoge energiedichtheid, hoge opbrengst, laag gewicht, klein volume, lange levensduur en veilige, voorspelbare, stabiele laad/ontlaad-karakteristieken ongeacht de omgevingsomstandigheden. In normale omstandigheden hebben ze een levensduur van meer dan 3.000 laadcycli. Het zijn zogenaamde ‘droge’ cellen, met een vast elektrolyt, dat het gevaar vermindert op lekken of ontbranding in geval van een auto-ongeluk. In tegenstelling tot accu’s met vloeibaar elektrolyt blijven ze stabiel bij hoge temperaturen, zonder risico op gevaarlijke oververhitting.

LMP technologie
De door Bolloré geproduceerde lithium-metaal-polymeer cel is een laminaat van vier ultradunne materialen: een metalen anode, een vast polymeer elektrolyt, een kathode uit vanadium oxide, koolstof en polymeer en een aluminium folie stroom-collector.
De ultradunne films zijn opgerold en gecomprimeerd tot een prismatische vorm en geassembleerd in cellen, die vervolgens worden samengevoegd in modules.
De LMP batterij bevat geen oplosmiddel of giftige bestanddelen, wat goed is voor het milieu, want dat maakt recycling gemakkelijker. Met hun capaciteit van maximaal 30 kWh bieden de accu’s elektrische voertuigen topsnelheden tot 130 km/h en een actieradius per lading van meer dan 250 km in normale rijomstandigheden in de stad.

Energie-opslag
Door de toevoeging van een grote supercondensator in de BlueCar is het mogelijk energie op te slaan. Deze opslag-component zorgt voor regeneratief remmen en accelereren (de remenergie gaat niet verloren als hitte, maar wordt omgezet in een andere, bruikbare energie) en verlengt tevens de levensduur van de accu’s.
Bij aansluiting op het net slaan de accu’s energie op en compenseren ze netwerkinstabiliteiten. Ook wanneer ze aangesloten worden op duurzame energiebronnen (zon, wind), bieden ze stand-alone productie en beheer van energiesystemen, waardoor ze zo zelfs energie leveren zonder te zijn aangesloten op het elektriciteitsnet.