miért károsítaná őket a Li-Ion akkumulátorok hideg hőmérsékleten történő töltése?

a hideg hőmérséklet borzasztóan homályos. Először is hadd adjak meg néhány valós, kemény számot.

ne töltse a lítium-ion akkumulátorokat 32 6/0 C alatt.más szóval, soha ne töltsön olyan lítium-ion akkumulátort, amely fagypont alatt van.

ha ezt még egyszer is megteszi, hirtelen, súlyos és tartós kapacitásvesztést eredményez, több tucat százalék vagy annál nagyobb nagyságrendben, valamint a belső ellenállás hasonló és tartós növekedését. Ez a károsodás csak egy elszigetelt ‘hideg töltés’ esemény után következik be, és arányos a cella töltésének sebességével.

de még ennél is fontosabb, hogy a hidegen töltött lítium-ion cella nem biztonságos, ezért biztonságosan újra kell hasznosítani vagy más módon el kell dobni. Nem biztonságos, Úgy értem, hogy jól fog működni, amíg véletlenszerűen felrobban a mechanikai rezgés miatt, mechanikai sokk, vagy csak elég magas töltöttségi szintet ér el.

most, hogy valóban válaszoljon a kérdésére: miért van ez?

ehhez rövid összefoglalóra van szükség a lítium-ion akkumulátorok működéséről. Van egy anódjuk, katódjuk és elektrolitjuk, mint bármely más akkumulátornak, de van egy csavar: a lítiumionok töltés közben valójában a katódról az anódra mozognak, és interkalálnak bele. Az interkaláció lényege, hogy molekulák vagy ionok (ebben az esetben lítiumionok) egyes anyagok rácsának molekuláris rései közé vannak zsúfolva.

a kisütés során a lítiumionok elhagyják az anódot, visszatérnek a katódhoz, és hasonlóképpen interkalálnak a katódba. Tehát mind a katód, mind az anód egyfajta szivacsként működik a lítiumionok számára.

amikor a lítiumionok nagy része interkalálódik a katódba (vagyis az akkumulátor meglehetősen lemerült állapotban van), a katód anyaga kissé kitágul a térfogati törzs miatt (a rácsa közé ékelt összes extra Atom miatt), de általában ennek nagy része interkalációs erő belső feszültségekké alakul (hasonlóan az edzett üveghez), így a térfogati törzs enyhe.

töltés közben a lítiumionok elhagyják a katódot, és interkalálnak a grafit anódba. A grafit alapvetően szén keksz, egy csomó grafénrétegből készül, hogy aggregált keksz szerkezetet képezzen. Amerikai keksz szerkezet.

ez nagymértékben csökkenti a grafit anód azon képességét, hogy az interkalációból származó erőt belső feszültségekké alakítsa át, így az anód lényegesen nagyobb volumetrikus törzsön megy keresztül – annyira, hogy valójában 10-20% – kal növeli a térfogatot. Ezt lítium – ion cella tervezésekor meg kell engedni (és egyébként is – kivéve egy bizonyos Samsung telefon akkumulátorát) – különben az anód lassan gyengítheti, vagy akár végül is átszúrhatja az anódot a katódtól elválasztó belső membránt, ami halott rövidzárlatot okoz a cellában. De csak egyszer egy csomó Joule került a cellába (így kibővítve az anódot).

Ok ok, de mi köze ennek a hideg hőmérséklethez?

amikor lítium-ion cellát tölt fel fagypont alatti hőmérsékleten, a lítiumionok többsége nem képes interkalálódni a grafit anódba. Ehelyett fémes lítiummal lemezezik az anódot, akárcsak egy anódérme galvanizálása katód nemesfémmel. Tehát a töltés az anódot lítiummal galvanizálja, nem pedig, jól, újratöltve. Az ionok egy része interkalálódik az anódba, a fémbevonat néhány atomja pedig később interkalálódik 20+ óra alatt, ha a sejtet hagyják pihenni, de a legtöbb nem. Ez a kapacitáscsökkentés, a megnövekedett belső ellenállás, valamint a veszély forrása.

ha elolvasta a kapcsolódó válaszomat a stack exchange-en arra a kérdésre, hogy miért van olyan sok félelem a lítium-ion akkumulátorok körül?’, valószínűleg látja, hová megy ez.

ez az anód lítiumbevonata nem szép, sima és egyenletes – dendritekben képződik, az anódon kis éles lítium-fém indák nőnek.

mint a többi meghibásodási mechanizmusnál, amelyek szintén az anód fémes lítiumozásának köszönhetők (bár különböző okokból), ezek a dendritek váratlan nyomást gyakorolhatnak az elválasztó membránra, mivel az anód kitágul és kényszeríti őket, és ha szerencsétlen vagy, ez a membrán egy nap váratlanul meghibásodik (vagy azonnal, néha egy dendrit csak egy lyukat bök, és megérinti a katódot). Ez természetesen a cellát szellőzteti, meggyújtja gyúlékony elektrolitját, és tönkreteszi a hétvégét (legjobb esetben).

de elgondolkodhat azon, hogy “miért okozza a fagypont alatti hőmérséklet az anód lítium fémbevonatát?”

és a szerencsétlen és nem kielégítő válasz az, hogy valójában nem tudjuk. Neutron képalkotást kell használnunk a működő lítium-ion cellák belsejébe, és figyelembe véve, hogy csak ~30 (31, azt hiszem?) világszerte aktív kutatóreaktorok (neutronforrásként működő atomreaktorok), amelyek valójában tudományos kutatásra állnak rendelkezésre egy egyetemen, nem pedig orvosi izotópgyártásra, és mindegyik 24/7-et lefoglalt kísérletekre, azt hiszem, ez csak türelem kérdése. Csak néhány esetben fordult elő lítium-ion akkumulátorok neutron képalkotása egyszerűen a berendezés idő szűkössége miatt.

utoljára 2014-ben használták ezt kifejezetten erre a hideg hőmérsékleti problémára, azt hiszem, itt van a cikk.

a címsor ellenére még mindig nem igazán oldották meg pontosan, hogy mi okozza a borítást, nem pedig az interkalációt, amikor a sejt fagypont alatt van.

érdekes módon valójában lehetséges egy lítium-ion cellát fagyasztás alatt tölteni, de csak rendkívül alacsony áramerősség mellett, 0,02 C alatt (tehát több mint 50 órás töltési idő). A kereskedelemben kapható néhány egzotikus cella is, amelyeket kifejezetten hideg hőmérsékleten történő feltöltésre terveztek, általában jelentős költségekkel (mind monetárisan, mind a cellák más területeken nyújtott teljesítménye szempontjából).

Megjegyzés: Hozzá kell tennem, hogy a lítium-ion akkumulátor lemerülése fagypont alatt teljesen biztonságos. A legtöbb sejt kisülési hőmérséklete -20cc vagy még hidegebb. Csak a ‘fagyasztott’ cellák töltését kell elkerülni.