Pourquoi charger des batteries Li-Ion par temps froid leur nuirait-il?

« Températures froides » est terriblement vague. Tout d’abord, permettez-moi de préciser des chiffres réels et durs.

Ne chargez pas les batteries lithium-ion à une température inférieure à 32 °F / 0 °C. En d’autres termes, ne chargez jamais une batterie lithium-ion située sous le point de congélation.

Le faire même une fois entraînera une perte de capacité soudaine, sévère et permanente de l’ordre de plusieurs dizaines de pour cent ou plus, ainsi qu’une augmentation similaire et permanente de la résistance interne. Ces dommages surviennent après un seul événement isolé de « charge à froid » et sont proportionnels à la vitesse à laquelle la cellule est chargée.

Mais, plus important encore, une cellule au lithium-ion chargée à froid n’est PAS sûre et doit être recyclée ou jetée de toute autre manière. Par non sûr, je veux dire que cela fonctionnera bien jusqu’à ce qu’il explose au hasard en raison de vibrations mécaniques, de chocs mécaniques ou d’un état de charge suffisamment élevé.

Maintenant, pour répondre réellement à votre question: pourquoi est-ce?

Cela nécessite un résumé rapide du fonctionnement des batteries lithium-ion. Ils ont une anode, une cathode et un électrolyte comme toute autre batterie, mais il y a une torsion: les ions lithium se déplacent réellement de la cathode à l’anode pendant la charge et s’intercalent dedans. L’essentiel de l’intercalation est que des molécules ou des ions (ions lithium dans ce cas) sont entassés entre les lacunes moléculaires du réseau de certains matériaux.

Pendant la décharge, les ions lithium quittent l’anode et retournent à la cathode, et s’intercalent également dans la cathode. Ainsi, la cathode et l’anode agissent comme une sorte d ‘ »éponge » pour les ions lithium.

Lorsque la plupart des ions lithium sont intercalés dans la cathode (ce qui signifie que la batterie est dans un état assez déchargé), le matériau de la cathode se dilate légèrement en raison de la contrainte volumétrique (à cause de tous les atomes supplémentaires coincés entre son réseau), mais généralement la majeure partie de cette force d’intercalation est convertie en contraintes internes (analogues au verre trempé), de sorte que la contrainte volumétrique est légère.

Pendant la charge, les ions lithium quittent la cathode et s’intercalent dans l’anode en graphite. Le graphite a est essentiellement un biscuit de carbone, composé d’un tas de couches de graphène pour former une structure de biscuit agrégée. Structure de biscuit américain.

Cela réduit considérablement la capacité de l’anode en graphite à convertir la force de l’intercalation en contraintes internes, de sorte que l’anode subit une contrainte volumétrique beaucoup plus importante – à tel point qu’elle augmentera en volume de 10 à 20%. Cela doit être (et est – sauf dans le cas d’une certaine batterie de téléphone Samsung de toute façon) autorisé lors de la conception d’une cellule au lithium-ion – sinon l’anode peut affaiblir lentement ou même perforer la membrane interne qui sépare l’anode de la cathode, provoquant un court-circuit à l’intérieur de la cellule. Mais seulement une fois qu’un tas de joules a été poussé dans la cellule (élargissant ainsi l’anode).

Ok ok, mais qu’est-ce que cela a à voir avec les températures froides?

Lorsque vous chargez une cellule au lithium à des températures inférieures à zéro, la plupart des ions lithium ne parviennent pas à s’intercaler dans l’anode en graphite. Au lieu de cela, ils plaquent l’anode avec du lithium métallique, tout comme la galvanoplastie d’une pièce d’anode avec un métal précieux cathodique. La charge plaquera donc l’anode avec du lithium plutôt que de la recharger. Certains des ions à intercaler dans l’anode et certains des atomes du placage métallique s’intercaleront plus tard pendant plus de 20 heures si la cellule est laissée au repos, mais la plupart ne le seront pas. C’est la source de la réduction de la capacité, de l’augmentation de la résistance interne et du danger.

Si vous avez lu ma réponse connexe sur stack exchange à la question « Pourquoi y a-t-il tant de peur entourant les batteries au lithium-ion? », vous pouvez probablement voir où cela va.

Ce placage au lithium de l’anode n’est pas agréable, lisse et uniforme – il se forme dans les dendrites, de petites vrilles pointues de lithium métallique poussant sur l’anode.

Comme pour les autres mécanismes de défaillance qui sont également dus au placage de lithium métallique de l’anode (bien que pour des raisons différentes), ces dendrites peuvent exercer une pression inattendue sur la membrane de séparation lorsque l’anode se dilate et les force à y pénétrer, et si vous êtes malchanceux, cela provoquera un jour une défaillance inattendue de la membrane (ou aussi immédiatement, parfois une dendrite vient percer un trou dedans et touche la cathode). Cela rend bien sûr la cellule évent, enflamme son électrolyte inflammable et gâche votre week-end (au mieux).

Mais, vous vous demandez peut-être, « pourquoi les températures sous le point de congélation provoquent-elles un placage de métal au lithium de l’anode? »

Et la réponse malheureuse et insatisfaisante est que nous ne savons pas réellement. Nous devons utiliser l’imagerie neutronique pour regarder à l’intérieur des cellules au lithium-ion qui fonctionnent, et étant donné qu’il n’y en a qu’environ 30 (31 je pense?) des réacteurs de recherche actifs dans le monde entier (réacteurs nucléaires qui agissent comme une source de neutrons) qui sont réellement disponibles pour la recherche scientifique dans une université plutôt que utilisés pour la production d’isotopes médicaux, et tous réservés 24h / 24, 7j / 7 pour des expériences, je pense que c’est juste une question de patience. Il n’y a eu que quelques cas d’imagerie neutronique de batteries au lithium-ion simplement en raison de la rareté du temps d’équipement.

La dernière fois que cela a été utilisé spécifiquement pour ce problème de température froide, c’était en 2014, je crois, et voici l’article.

Malgré le titre, ils n’ont toujours pas vraiment résolu exactement ce qui provoque le placage plutôt que l’intercalation lorsque la cellule est sous le point de congélation.

Fait intéressant, il est en fait possible de charger une cellule au lithium-ion sous le point de congélation, mais uniquement à des courants extrêmement faibles, inférieurs à 0,02 C (donc plus de 50 heures de temps de charge). Il existe également quelques cellules exotiques disponibles dans le commerce qui sont spécifiquement conçues pour être facturables par temps froid, généralement à un coût important (à la fois monétaire et en termes de performances des cellules dans d’autres domaines).

Remarque: Je dois ajouter que décharger une batterie au lithium-ion à des températures inférieures à zéro est parfaitement sûr. La plupart des cellules ont des températures de décharge de -20 ° C ou même plus froides. Seule la charge d’une cellule « gelée » doit être évitée.