hvorfor opladning af Li-Ion-batterier i kolde temperaturer ville skade dem?

‘kolde temperaturer’ er frygtelig vage. Først, lad mig faktisk angive nogle reelle, hårde tal.

Oplad ikke lithiumionbatterier under 32 liter F/0 liter C. med andre ord, oplad aldrig et lithiumionbatteri, der er under frysepunktet.

hvis du gør det endnu en gang, vil det resultere i et pludseligt, alvorligt og permanent kapacitetstab i størrelsesordenen flere dusin procent eller mere, samt en lignende og også permanent stigning i intern modstand. Denne skade opstår efter kun en isoleret ‘kold opladning’ begivenhed og er proportional med den hastighed, hvormed cellen oplades.

men endnu vigtigere er, at en lithiumioncelle, der er blevet koldladet, ikke er sikker og skal genbruges sikkert eller på anden måde kasseres. Ved ikke sikkert mener jeg, at det vil fungere fint, indtil det tilfældigt eksploderer på grund af mekanisk vibration, mekanisk stød eller bare når en høj nok ladningstilstand.

nu, for faktisk at besvare dit spørgsmål: Hvorfor er dette?

dette kræver en hurtig oversigt over, hvordan lithium-ion-batterier fungerer. De har en anode og katode og elektrolyt ligesom ethvert andet batteri, men der er en drejning: lithiumioner bevæger sig faktisk fra katoden til anoden under opladning og interkalerer ind i den. Kernen i interkalation er, at molekyler eller ioner (lithiumioner i dette tilfælde) er proppet ind mellem de molekylære huller i noget materiales gitter.

under afladning forlader lithiumionerne anoden og vender tilbage til katoden og interkalerer ligeledes ind i katoden. Så både katoden og anoden fungerer som en slags ‘svamp’ for lithiumioner.

når de fleste af lithiumionerne interkaleres i katoden (hvilket betyder, at batteriet er i en ret afladet tilstand), vil katodematerialet ekspandere lidt på grund af volumetrisk belastning (på grund af alle de ekstra atomer, der er klemt ind mellem dets gitter), men generelt er det meste af dette interkalationskraft omdannes til indre spændinger (analogt med hærdet glas), så den volumetriske belastning er lille.

under opladning forlader lithiumionerne katoden og interkalerer ind i grafitanoden. Grafit har er dybest set en kulstofkiks, lavet af en flok grafenlag for at danne en samlet kiksstruktur. Amerikansk kiks struktur.

dette reducerer i høj grad grafitanodens evne til at konvertere kraften fra interkalationen til indre spændinger, så anoden gennemgår betydeligt mere volumetrisk belastning – så meget, at den faktisk vil stige i volumen med 10-20%. Dette skal være (og er – undtagen i tilfælde af et bestemt Samsung-telefonbatteri alligevel) tilladt, når man designer en lithiumioncelle-ellers kan anoden langsomt svække eller endda i sidste ende punktere den indre membran, der adskiller anoden fra katoden, hvilket forårsager en død kort inde i cellen. Men kun en gang er en flok joules blevet skubbet ind i cellen (og dermed udvide anoden).

Ok ok, men hvad har noget af dette at gøre med kolde temperaturer?

når du oplader en lithiumioncelle i temperaturer under frysepunktet, undlader de fleste lithiumioner at interkalere ind i grafitanoden. I stedet, de plade anoden med metallisk lithium, ligesom galvanisering en anode mønt med en katode ædle metaller. Så opladning vil galvanisere anoden med lithium i stedet for at genoplade den. Nogle af ionerne til at interkalere ind i anoden, og nogle af atomerne i metalbelægningen vil interkalere senere over 20+ timer, hvis cellen får lov til at hvile, men de fleste vil ikke. Det er kilden til kapacitetsreduktion, øget intern modstand og også faren.

hvis du har læst mit relaterede svar på stakudveksling til spørgsmålet ‘Hvorfor er der så meget frygt omkring lithium-ion-batterier?’, du kan sikkert se, hvor dette går.

denne litiumbelægning af anoden er ikke pæn og glat og jævn – den dannes i dendritter, små skarpe tendrils af lithiummetal, der vokser på anoden.

som med de andre fejlmekanismer, der ligeledes skyldes metallisk lithiumbelægning af anoden (dog af forskellige årsager), kan disse dendritter lægge uventet pres på adskillelsesmembranen, når anoden udvides og tvinger dem ind i den, og hvis du er uheldig, vil dette medføre, at membranen en dag mislykkes uventet (eller også straks, nogle gange stikker en dendrit bare et hul i den og rører ved katoden). Dette gør selvfølgelig cellen udluftning, antænde sin brændbare elektrolyt, og ødelægge din helgen (i bedste fald).

men du undrer dig måske: “hvorfor forårsager temperaturer under frysepunktet lithiumbelægning af anoden?”

og det uheldige og utilfredsstillende svar er, at vi faktisk ikke ved det. Vi skal bruge neutronafbildning til at se inde i fungerende lithiumionceller, og i betragtning af at der kun er omkring ~30 (31 tror jeg?) verdensomspændende aktive forskningsreaktorer (atomreaktorer, der fungerer som en neutronkilde), der faktisk er tilgængelige til videnskabelig forskning på et universitet snarere end brugt til medicinsk isotopproduktion, og alle bookede 24/7 til eksperimenter, jeg synes, det er bare et spørgsmål om tålmodighed. Der har kun været et par tilfælde af neutronafbildning af lithium-ion-batterier simpelthen på grund af mangel på udstyrstid.

sidste gang dette blev brugt specifikt til dette kolde temperaturproblem var 2014, tror jeg, og her er artiklen.

på trods af overskriften har de stadig ikke rigtig løst præcis, hvad det er, der forårsager plettering snarere end interkalation, når cellen er under frysepunktet.

interessant nok er det faktisk muligt at oplade en lithiumioncelle under frysning, men kun ved meget lave strømme, under 0,02 C (så mere end en 50 timers opladningstid). Der er også et par eksotiske celler kommercielt tilgængelige, der er specielt designet til at blive opkrævet i kolde temperaturer, normalt til betydelige omkostninger (både monetært og med hensyn til cellernes ydeevne i andre områder).

Bemærk: Jeg skal tilføje, at afladning af et lithiumionbatteri under frysetemperaturer er helt sikkert. De fleste celler har udledningstemperaturvurderinger på -20 liter C eller endda koldere. Kun opladning af en ‘frosset’ celle skal undgås.