miksi Li-Ion-akkujen lataaminen kylmässä vahingoittaisi niitä?

”kylmät lämpötilat” on hirveän epämääräinen. Ensiksi, haluaisin itse asiassa täsmentää joitakin todellisia, vaikeita lukuja.

älä lataa litiumioniakkuja alle 32 ° F / 0°C. Toisin sanoen Älä koskaan lataa litiumioniakkua, joka on pakkasella.

tämän tekeminen edes kerran johtaa äkilliseen, vakavaan ja pysyvään kapasiteetin menetykseen useita kymmeniä prosentteja tai enemmän, sekä samanlaiseen ja myös pysyvään sisäisen vastuksen kasvuun. Tämä vaurio syntyy vain yhden yksittäisen ”kylmälataustapahtuman” jälkeen, ja se on verrannollinen kennon latausnopeuteen.

mutta vielä tärkeämpää on, että kylmälatattu litiumionikenno ei ole turvallinen ja se on kierrätettävä turvallisesti tai muuten hävitettävä. Ei turvallinen, tarkoitan, että se toimii hyvin, kunnes se satunnaisesti räjähtää johtuen mekaanisesta tärinästä, mekaanisesta iskusta, tai vain saavuttaa riittävän korkean lataustilan.

nyt oikeasti vastaamaan kysymykseesi: mistä tämä johtuu?

tämä vaatii nopean yhteenvedon siitä, miten litiumioniakut toimivat. Niissä on anodi ja katodi ja elektrolyytti aivan kuten missä tahansa muussakin akussa, mutta siinä on kierre: litiumionit todella siirtyvät katodilta anodille latauksen aikana ja interkaloivat siihen. Interkalaation ydin on, että molekyylit tai ionit (tässä tapauksessa litiumionit) ahtautuvat jonkin materiaalin hilan molekyylirakojen väliin.

purkautumisen aikana litiumionit poistuvat anodilta ja palaavat katodille ja vastaavasti interkaloituvat katodille. Sekä katodi että anodi toimivat siis eräänlaisina litiumionien ”sieninä”.

kun suurin osa litiumioneista interkaloituu katodiin (eli akku on melko purkautuneessa tilassa), katodimateriaali laajenee hieman volumetrisen rasituksen vuoksi (koska kaikki ylimääräiset atomit kiilautuvat sen hilan väliin), mutta yleensä suurin osa tästä interkalaatiovoimasta muuttuu sisäisiksi jännityksiksi (analoginen karkaistun lasin kanssa), joten volumetrinen kanta on vähäinen.

latauksen aikana litiumionit poistuvat katodilta ja interkaloituvat grafiittianodiksi. Graphite has on pohjimmiltaan hiili keksi, joka on valmistettu joukko grafeenikerroksia muodostaa yhteenlaskettu keksirakenne. Amerikkalainen keksirakenne.

tämä vähentää huomattavasti grafiittianodin kykyä muuntaa interkalaatiosta tuleva voima sisäisiksi jännityksiksi, joten anodiin kohdistuu huomattavasti suurempi volumetrinen rasitus-niin paljon, että sen tilavuus itse asiassa kasvaa 10-20%. Tämän on oltava (ja on – paitsi jos kyseessä on tietty Samsung puhelimen akku joka tapauksessa) sallittu suunniteltaessa litiumionikenno – muuten anodi voi hitaasti heikentää tai jopa lopulta puhkaista sisäinen kalvo, joka erottaa anodi katodi, aiheuttaa kuollut lyhyt solun sisällä. Mutta vain kerran joukko joules on työnnetty soluun (näin laajentaa anodi).

Ok ok, mutta miten tämä liittyy kylmiin lämpötiloihin?

kun litiumionikennoa Ladataan pakkasessa, suurin osa litiumioneista ei interkaloidu grafiittianodiksi. Sen sijaan ne levy anodi metallinen litium, aivan kuten galvanointi anodi kolikko katodi jalometallia. Joten lataus galvanoi anodin litiumilla sen sijaan, että lataisi sen. Jotkut ionit interkalate osaksi anodi, ja jotkut atomit metallipinnoitus interkalate myöhemmin yli 20+ tuntia, jos solu saa levätä, mutta useimmat eivät. Se on lähde kapasiteetin vähentäminen, lisääntynyt sisäinen vastus, ja myös vaara.

jos olet lukenut stack Exchangessa aiheeseen liittyvän vastaukseni kysymykseen ” Miksi litiumioniakkuja ympäröi niin paljon pelkoa?”, voit luultavasti nähdä, mihin tämä on menossa.

tämä anodin litiumpinnoitus ei ole mukavaa ja sileää ja tasaista – se muodostaa dendriittejä, pieniä teräviä litiummetallin lonkeroita, jotka kasvavat anodilla.

kuten muutkin vikaantumismekanismit, jotka samoin johtuvat anodin metallisesta litiumpinnoituksesta (tosin eri syistä), nämä dendriitit voivat aiheuttaa odottamatonta painetta erotuskalvolle anodin laajentuessa ja pakottaessa ne siihen, ja jos olet epäonninen, tämä aiheuttaa kalvon jonakin päivänä epäonnistumista odottamatta (tai myös välittömästi, joskus dendriitti vain tökkää siihen reiän ja koskettaa katodia). Tämä tietysti saa kennon purkautumaan, sytyttää sen syttyvän elektrolyytin ja pilaa viikonloppusi (parhaimmillaan).

mutta saatat ihmetellä: ”miksi pakkasasteet aiheuttavat anodin litiummetallipinnoituksen?”

ja valitettava ja epätyydyttävä vastaus on, että emme oikeasti tiedä. Meidän on käytettävä neutronikuvantaminen tarkastella sisällä toimivat litiumionisolut, ja ottaen huomioon on vain noin ~30 (31 luulen?) maailmanlaajuiset aktiiviset tutkimusreaktorit (ydinreaktorit, jotka toimivat neutronilähteenä), jotka ovat itse asiassa käytettävissä tieteelliseen tutkimukseen yliopistossa sen sijaan, että niitä käytettäisiin lääketieteelliseen isotooppien tuotantoon, ja kaikki ne varattiin 24/7 kokeisiin, mielestäni se on vain kärsivällisyyden kysymys. Litiumioniakkujen neutronikuvauksia on tehty vain muutamia yksinkertaisesti laiteajan niukkuuden vuoksi.

Viimeksi tätä käytettiin nimenomaan tähän kylmän lämpötilan ongelmaan vuonna 2014, ja tässä on artikkeli.

otsikosta huolimatta he eivät ole vielä oikein ratkaisseet, mikä aiheuttaa interkalaation sijaan pinnoituksen, kun kenno on pakkasen puolella.

mielenkiintoista on, että litiumionikenno on itse asiassa mahdollista ladata pakkasella, mutta vain äärimmäisen pienillä virtauksilla, alle 0,02 C (eli yli 50 tunnin latausaika). Kaupallisesti saatavilla on myös muutamia eksoottisia soluja, jotka on erityisesti suunniteltu maksullisiksi kylmässä, yleensä huomattavin kustannuksin (sekä rahallisesti että solujen suorituskyvyn kannalta muilla alueilla).

Huom.: Litiumioniakun purkaminen pakkasessa on täysin turvallista. Useimpien kennojen purkauslämpötila on -20°C tai jopa kylmempi. Ainoastaan ”jäätyneen” kennon lataamista on vältettävä.