proč by jim nabíjení Li-Ion baterií při nízkých teplotách poškodilo?

‚studené teploty‘ je strašně vágní. Nejprve uvedu některá reálná, tvrdá čísla.

nenabíjejte lithium-iontové baterie pod 32 ° F / 0 ° C. jinými slovy, nikdy nenabíjejte lithium-iontovou baterii, která je pod bodem mrazu.

pokud tak učiníte i jednou, bude to mít za následek náhlou, těžkou a trvalou ztrátu kapacity v řádu několika desítek procent nebo více, stejně jako podobné a také trvalé zvýšení vnitřního odporu. K tomuto poškození dochází po jediné izolované události „nabíjení za studena“ a je úměrné rychlosti nabíjení buňky.

ale ještě důležitější je, že lithium-iontová buňka, která byla nabita za studena, není bezpečná a musí být bezpečně recyklována nebo jinak zlikvidována. Tím, že to není bezpečné, myslím, že to bude fungovat dobře, dokud náhodně nevybuchne v důsledku mechanických vibrací, mechanický šok, nebo jen dosáhnout dostatečně vysokého stavu nabití.

nyní, abych skutečně odpověděl na vaši otázku: proč je to?

to vyžaduje rychlé shrnutí fungování lithium-iontových baterií. Mají anodu a katodu a elektrolyt stejně jako každá jiná baterie, ale dochází k zákrutu: ionty lithia se během nabíjení skutečně pohybují z katody na anodu a interkalují se do ní. Podstata interkalace spočívá v tom, že molekuly nebo ionty (v tomto případě ionty lithia) jsou napěchovány mezi molekulárními mezerami mřížky nějakého materiálu.

během vybíjení lithiové ionty opouštějí anodu a vracejí se do katody a podobně interkalují do katody. Katoda i anoda tedy fungují jako „houba“ pro lithiové ionty.

když je většina lithiových iontů interkalována do katody (což znamená, že baterie je v poměrně vybitém stavu), materiál katody se mírně rozšíří díky volumetrickému namáhání (kvůli všem dalším atomům zaklíněným mezi mřížkou), ale obecně většina z toho je interkalační síla je přeměněna na vnitřní napětí (analogické tvrzenému sklu), takže objemové napětí je malé.

během nabíjení lithiové ionty opouštějí katodu a interkalují se do grafitové anody. Grafit má v podstatě uhlíkovou sušenku, vyrobenou z hromady grafenových vrstev, které tvoří souhrnnou strukturu sušenek. Americká sušenková struktura.

to výrazně snižuje schopnost grafitové anody převést sílu z interkalace na vnitřní napětí, takže anoda prochází výrazně větším objemovým napětím – natolik, že se skutečně zvýší objem o 10-20%. To musí být (a je – s výjimkou určité baterie telefonu Samsung) povoleno při navrhování lithium-iontové buňky-jinak anoda může pomalu oslabit nebo dokonce nakonec propíchnout vnitřní membránu, která odděluje anodu od katody, což způsobuje mrtvý zkrat uvnitř buňky. Ale pouze jednou byla do buňky strčena banda joulů(čímž se rozšířila anoda).

Ok ok, ale co má něco z toho společného s nízkými teplotami?

když nabíjíte lithium-iontový článek při teplotách pod bodem mrazu, většina lithiových iontů nedokáže interkalovat do grafitové anody. Namísto, oni deska anoda s kovovým lithiem, stejně jako galvanické pokovování anodovou minci s katodou drahého kovu. Takže nabíjení bude elektroplatovat anodu lithiem, spíše než, studna, dobíjení. Některé ionty se interkalují do anody a některé atomy v pokovování se interkalují později v průběhu 20+ hodin, pokud je buňka ponechána odpočívat,ale většina ne. To je zdrojem snížení kapacity, zvýšeného vnitřního odporu a také nebezpečí.

pokud jste si přečetli mou související odpověď na výměnu zásobníku na otázku “ proč existuje tolik strachu kolem lithium-iontových baterií?‘, můžete pravděpodobně vidět, kam to jde.

toto lithiové pokovování anody není pěkné a hladké a rovnoměrné-tvoří se v dendritech, na anodě rostou malé ostré úponky lithiového kovu.

stejně jako u jiných poruchových mechanismů, které jsou také způsobeny kovovým lithiem anody (i když z různých důvodů), mohou tyto dendrity vyvíjet neočekávaný tlak na oddělovací membránu, jak se anoda rozšiřuje a nutí je do ní, a pokud máte smůlu, způsobí to, že membrána jednoho dne neočekávaně selže (nebo také okamžitě, někdy dendrit jen propíchne díru a dotkne se katody). To samozřejmě způsobí, že se buňka odvzdušní, zapálí hořlavý elektrolyt a zničí váš víkend (v nejlepším případě).

ale možná se divíte: „proč teploty pod bodem mrazu způsobují lithiové pokovování anody?“

a nešťastná a neuspokojivá odpověď je, že vlastně nevíme. Musíme použít neutronové zobrazování, abychom se podívali dovnitř fungujících lithium-iontových buněk, a vzhledem k tomu, že existuje jen kolem ~30 (31 myslím?) celosvětově aktivní výzkumné reaktory (jaderné reaktory, které působí jako zdroj neutronů), které jsou ve skutečnosti k dispozici pro vědecký výzkum na univerzitě, spíše než pro výrobu lékařských izotopů, a všechny z nich rezervované 24/7 pro experimenty, myslím, že je to jen otázka trpělivosti. Došlo pouze k několika případům neutronového zobrazování lithium-iontových baterií jednoduše kvůli nedostatku času zařízení.

Naposledy to bylo použito speciálně pro tento problém s chladnou teplotou 2014 věřím, a zde je článek.

navzdory nadpisu stále ještě nevyřešili přesně to, co způsobuje pokovování spíše než interkalaci, když je buňka pod bodem mrazu.

zajímavé je, že je ve skutečnosti možné nabíjet lithium-iontový článek pod bodem mrazu, ale pouze při mimořádně nízkých proudech, pod 0,02 C (tedy více než 50 hodinová doba nabíjení). Existuje také několik exotických buněk komerčně dostupných, které jsou speciálně navrženy tak, aby byly účtovány za nízkých teplot, obvykle za značné náklady (jak finančně, tak z hlediska výkonu buněk v jiných oblastech).

Poznámka: Měl bych dodat, že vybíjení lithium-iontové baterie při teplotách pod bodem mrazu je naprosto bezpečné. Většina článků má výstupní teplotu -20°C nebo dokonce chladnější. Je třeba se vyhnout pouze nabíjení „zmrazené“ buňky.