Warum würde das Laden von Li-Ionen-Batterien bei kalten Temperaturen ihnen schaden?

‚Kalte Temperaturen‘ ist furchtbar vage. Lassen Sie mich zunächst einige echte, harte Zahlen angeben.

Laden Sie keine Lithium-Ionen-Batterien unter 32 ° F / 0 ° C. Mit anderen Worten, laden Sie niemals eine Lithium-Ionen-Batterie auf, die unter dem Gefrierpunkt liegt.

Wenn Sie dies auch nur einmal tun, führt dies zu einem plötzlichen, schweren und dauerhaften Kapazitätsverlust in der Größenordnung von mehreren Dutzend Prozent oder mehr sowie zu einer ähnlichen und auch dauerhaften Erhöhung des Innenwiderstands. Dieser Schaden tritt nach nur einem isolierten Kaltladeereignis auf und ist proportional zur Geschwindigkeit, mit der die Zelle geladen wird.

Noch wichtiger ist jedoch, dass eine kalt geladene Lithium-Ionen-Zelle NICHT sicher ist und sicher recycelt oder anderweitig entsorgt werden muss. Mit nicht sicher meine ich, dass es gut funktioniert, bis es zufällig aufgrund von mechanischen Vibrationen, mechanischen Stößen oder einfach nur einem ausreichend hohen Ladezustand explodiert.

Nun, um Ihre Frage tatsächlich zu beantworten: Warum ist das so?

Dies erfordert eine kurze Zusammenfassung der Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien. Sie haben eine Anode und Kathode und Elektrolyt wie jede andere Batterie, aber es gibt eine Wendung: Lithiumionen bewegen sich während des Ladevorgangs tatsächlich von der Kathode zur Anode und lagern sich darin ein. Der Kern der Interkalation besteht darin, dass Moleküle oder Ionen (in diesem Fall Lithiumionen) zwischen den molekularen Lücken des Gitters eines Materials eingepfercht sind.

Beim Entladen verlassen die Lithiumionen die Anode und kehren zur Kathode zurück und lagern sich ebenfalls in die Kathode ein. Kathode und Anode wirken also wie eine Art ‚Schwamm‘ für Lithiumionen.

Wenn die meisten Lithiumionen in die Kathode eingelagert werden (was bedeutet, dass sich die Batterie in einem ziemlich entladenen Zustand befindet), dehnt sich das Kathodenmaterial aufgrund der Volumendehnung leicht aus (aufgrund all der zusätzlichen Atome, die zwischen seinem Gitter eingeklemmt sind), aber im Allgemeinen ist das meiste davon Die Einlagerungskraft wird in innere Spannungen umgewandelt (analog zu gehärtetem Glas), so dass die Volumendehnung gering ist.

Während des Ladevorgangs verlassen die Lithiumionen die Kathode und lagern sich in die Graphitanode ein. Graphitkeks ist im Grunde ein Kohlenstoffkeks, der aus einer Reihe von Graphenschichten besteht, um eine aggregierte Keksstruktur zu bilden. Amerikanische Keksstruktur.

Dies verringert die Fähigkeit der Graphitanode, die Kraft aus der Interkalation in innere Spannungen umzuwandeln, erheblich, so dass die Anode deutlich mehr volumetrische Dehnung erfährt – so sehr, dass ihr Volumen tatsächlich um 10-20% zunimmt. Dies muss (und ist – außer im Fall eines bestimmten Samsung-Handyakkus sowieso) beim Design einer Lithium-Ionen-Zelle berücksichtigt werden – sonst kann die Anode die innere Membran, die die Anode von der Kathode trennt, langsam schwächen oder sogar durchstechen ein toter Kurzschluss innerhalb der Zelle. Aber nur einmal wurde ein Bündel Joule in die Zelle geschoben (wodurch die Anode erweitert wurde).

Ok ok, aber was hat das alles mit kalten Temperaturen zu tun?

Wenn Sie eine Lithiumionenzelle bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufladen, können sich die meisten Lithiumionen nicht in die Graphitanode einlagern. Stattdessen plattieren sie die Anode mit metallischem Lithium, genau wie eine Anodenmünze mit einem Kathodenedelmetall galvanisiert wird. Beim Laden wird die Anode also mit Lithium galvanisiert, anstatt sie aufzuladen. Einige der Ionen interkalieren in die Anode, und einige der Atome in der Metallplattierung interkalieren später über 20 + Stunden, wenn die Zelle ruhen darf, aber die meisten nicht. Das ist die Quelle der Kapazitätsreduzierung, des erhöhten Innenwiderstands und auch der Gefahr.

Wenn Sie meine verwandte Antwort auf Stack Exchange auf die Frage gelesen haben, warum gibt es so viel Angst um Lithium-Ionen-Batterien?‘, Sie können wahrscheinlich sehen, wohin das geht.

Diese Lithiumplattierung der Anode ist nicht schön glatt und gleichmäßig – sie bildet sich in Dendriten, kleinen scharfen Ranken aus Lithiummetall, die auf der Anode wachsen.

Wie bei den anderen Versagensmechanismen, die ebenfalls auf eine metallische Lithiumplattierung der Anode zurückzuführen sind (wenn auch aus verschiedenen Gründen), können diese Dendriten unerwarteten Druck auf die Trennmembran ausüben, wenn sich die Anode ausdehnt und sie hineindrückt, und wenn Sie Pech haben, führt dies dazu, dass die Membran eines Tages unerwartet ausfällt (oder auch sofort, manchmal stößt ein Dendrit einfach ein Loch hinein und berührt die Kathode). Dadurch entlüftet sich die Zelle natürlich, entzündet ihren brennbaren Elektrolyten und ruiniert Ihr Wochenende (bestenfalls).

Aber Sie fragen sich vielleicht: „Warum verursachen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt eine Lithiummetallbeschichtung der Anode?“

Und die unglückliche und unbefriedigende Antwort ist, dass wir es nicht wirklich wissen. Wir müssen Neutronenbildgebung verwenden, um in funktionierende Lithium-Ionen-Zellen zu schauen, und wenn man bedenkt, dass es nur etwa 30 gibt (31 denke ich?) weltweit aktive Forschungsreaktoren (Kernreaktoren, die als Neutronenquelle fungieren), die tatsächlich für die wissenschaftliche Forschung an einer Universität zur Verfügung stehen und nicht für die medizinische Isotopenproduktion verwendet werden, und alle von ihnen 24/7 für Experimente gebucht, ich denke, es ist nur eine Frage der Geduld. Es gab nur wenige Fälle von Neutronen-Imaging von Lithium-Ionen-Batterien einfach aufgrund der Knappheit der Ausrüstung Zeit.

Das letzte Mal, dass dies speziell für dieses kalte Temperaturproblem verwendet wurde, war 2014, glaube ich, und hier ist der Artikel.

Trotz der Überschrift haben sie immer noch nicht genau gelöst, was die Plattierung und nicht die Interkalation verursacht, wenn die Zelle unter dem Gefrierpunkt liegt.

Interessanterweise ist es tatsächlich möglich, eine Lithium-Ionen-Zelle unter dem Gefrierpunkt aufzuladen, jedoch nur bei äußerst geringen Strömen unter 0,02 C (also mehr als 50 Stunden Ladezeit). Es gibt auch einige exotische Zellen im Handel, die speziell für die Aufladung bei kalten Temperaturen entwickelt wurden, in der Regel zu erheblichen Kosten (sowohl monetär als auch in Bezug auf die Leistung der Zellen in anderen Bereichen).

Hinweis: Ich sollte hinzufügen, dass das Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt absolut sicher ist. Die meisten Zellen haben eine Entladetemperatur von -20 ° C oder sogar kälter. Nur das Laden einer ‚gefrorenen‘ Zelle muss vermieden werden.