なぜ低温でリチウムイオン電池を充電すると害になるのですか?

‘寒い温度’は非常に曖昧です。 まず、実際にいくつかの実際の、ハードな数字を指定してみましょう。

32°F/0°C以下のリチウムイオン電池を充電しないでください。

一度でもそうすると、数十パーセント以上のオーダーで突然、深刻で恒久的な容量損失が発生し、同様に内部抵抗も永久的に増加します。 この損傷は、1つの絶縁された「冷間充電」イベントの後に発生し、セルが充電される速度に比例します。

しかし、さらに重要なことに、冷間充電されたリチウムイオン電池は安全ではなく、安全にリサイクルまたは廃棄する必要があります。 安全ではないということは、機械的振動、機械的衝撃、または十分に高い充電状態に達するためにランダムに爆発するまで正常に動作することを意

さて、実際にあなたの質問に答えるために:これはなぜですか?

リチウムイオン電池の仕組みを簡単に説明する必要があります。 彼らはちょうど他の電池のような陽極と陰極と電解質を持っていますが、ねじれがあります:リチウムイオンは、実際に充電中に陰極から陽極に移 インターカレーションの要点は、分子またはイオン(この場合はリチウムイオン)が、いくつかの材料の格子の分子ギャップの間に詰め込まれていることで

放電中、リチウムイオンは陽極を離れて陰極に戻り、同様に陰極にインターカレートする。 そのため、陰極と陽極の両方がリチウムイオンの”スポンジ”のようなものとして機能します。

リチウムイオンの大部分が陰極にインターカレーションされると(電池がかなり放電状態にあることを意味する)、陰極材料は体積ひずみのためにわずかに膨張するが、一般的にはインターカレーション力は内部応力に変換される(強化ガラスに似ている)ため、体積ひずみはわずかである。

充電中、リチウムイオンは陰極を離れ、グラファイトアノードにインターカレートします。 グラファイトは、基本的には、集合ビスケット構造を形成するためにグラフェン層の束で作られた炭素ビスケットである持っています。 アメリカのビスケットの構造。

これにより、グラファイトアノードがインターカレーションからの力を内部応力に変換する能力が大幅に低下するため、アノードは大幅に多くの体積ひずみを受け、実際には体積が10-20%増加します。 これは、リチウムイオンセルを設計するときに許可されている(とされている-とにかく特定のサムスンの携帯電話のバッテリーの場合を除いて)でなけ しかし、一度だけジュールの束がセルに押し込まれた(したがって、陽極を拡大する)。

Ok ok、しかし、これのいずれかが寒い温度と何が関係していますか?

リチウムイオン電池を氷点下の温度で充電すると、ほとんどのリチウムイオンがグラファイトアノードにインターカレートできなくなります。 代わりに、彼らはちょうど陰極貴金属で陽極コインを電気めっきのように、金属リチウムで陽極をめっきします。 したがって、充電は、それを再充電するのではなく、リチウムで陽極を電気めっきします。 陽極にintercalateするイオンのいくつかおよび金属めっきの原子のいくつかは細胞が休むことを許されれば20+時間に後でintercalateますがほとんどは。 それは、容量の削減、内部抵抗の増加、および危険の原因です。

あなたがstack exchangeに関する私の関連する答えを「なぜリチウムイオン電池を取り巻くことがそんなに恐れているのですか?”、あなたはおそらくこれが起こっている場所を見ることができます。

陽極のこのリチウムめっきは素晴らしく、滑らかで、均一ではありません-それは樹状突起で形成され、陽極上に成長するリチウム金属の少し鋭い

同様に陽極の金属リチウムめっきによる他の故障メカニズムと同様に(異なる理由ではあるが)、これらの樹状突起は陽極が膨張して強制的に分離膜に予期せぬ圧力をかける可能性があり、運が悪い場合は膜が予期せず故障することがある(またはすぐに樹状突起が穴を突き刺して陰極に触れることもある)。 これはもちろん、セルの通気孔を作り、その可燃性電解質に点火し、あなたの週末を台無しにします(せいぜい)。

しかし、”なぜ氷点下の温度で陽極のリチウム金属めっきが発生するのですか?”

そして、不幸で満足できない答えは、私たちが実際には知らないということです。 リチウムイオン電池の内部を見るために中性子イメージングを使用する必要があり、約30(31私は思う?)世界的に活動的な研究炉(中性子源として機能する原子炉)は、医療同位体生産に使用されるのではなく、大学で科学研究のために実際に利用可能であり、 リチウムイオン電池の中性子イメージングは、単に装置時間の不足のために少数の例しかなかった。

これがこの寒さの問題のために特別に使用された最後の時間は2014年だったと私は信じています、そしてここに記事があります。

見出しにもかかわらず、彼らはまだ細胞が氷点下にあるときにインターカレーションではなくめっきの原因となるものを正確に解決していません。

興味深いことに、実際にはリチウムイオンセルを氷点下で充電することは可能ですが、0.02℃以下の非常に低い電流(50時間以上の充電時間)でのみ充電 市販されているいくつかのエキゾチックな細胞もあり、通常はかなりのコストで(金銭的にも他の分野での細胞の性能の点でも)、寒い温度で充電可能

: 私は氷点下の温度でリチウムイオン電池を放電することは完全に安全であることを追加する必要があります。 ほとんどの細胞に-20°cの排出の温度の評価がまた更に冷たいある。 “凍結した”セルの充電のみを避ける必要があります。