hvorfor lading Li-Ion-batterier i kalde temperaturer ville skade dem?

‘Kalde temperaturer’ er veldig vage. Først, la meg faktisk spesifisere noen ekte, harde tall.

ikke lad litiumionbatterier under 32°F/0°C. med andre ord, aldri lad et litiumionbatteri som er under frysepunktet.

å gjøre det enda en gang vil resultere i et plutselig, alvorlig og permanent kapasitetstap i størrelsesorden flere dusin prosent eller mer, samt en lignende og også permanent økning i intern motstand. Denne skaden oppstår etter bare en isolert ‘kald lading’ hendelse, og er proporsjonal med hastigheten som cellen er ladet.

men enda viktigere er det at en litiumioncelle som har blitt kaldt ladet, IKKE er trygg og må resirkuleres eller på annen måte kasseres. Ved ikke trygt mener jeg at det vil fungere fint til det eksploderer tilfeldig på grunn av mekanisk vibrasjon, mekanisk støt eller bare når en høy nok ladestatus.

nå, for å faktisk svare på spørsmålet ditt: hvorfor er dette?

dette krever en rask oppsummering av hvordan litiumionbatterier fungerer. De har en anode og katode og elektrolytt akkurat som alle andre batteri, men det er en vri: litiumioner faktisk flytte fra katoden til anoden under lading og intercalate inn i den. Kjernen i interkalering er at molekyler eller ioner (litiumioner i dette tilfellet) er proppet inn mellom de molekylære hullene i noe materialets gitter.

under utladning forlater litiumionene anoden og går tilbake til katoden, og på samme måte innskalere i katoden. Så både katoden og anoden fungerer som en slags svamp for litiumioner.

når de fleste litiumioner blir innskåret i katoden (som betyr at batteriet er i en ganske utladet tilstand), vil katodematerialet ekspandere litt på grunn av volumetrisk belastning (på grunn av alle de ekstra atomene som er klemt inn mellom gitteret), men generelt er det meste av dette interkalasjonskraften omgjort til interne spenninger (analogt med herdet glass), slik at volumetrisk belastning er liten.

under lading forlater litiumionene katoden og interkalerer inn i grafittanoden. Grafitt har er i utgangspunktet en karbon kjeks, laget av en haug med graphene lag for å danne en samlet kjeks struktur. Amerikansk kjeks struktur.

dette reduserer grafitt anode evne til å konvertere kraften fra intercalation til interne spenninger, så anoden gjennomgår betydelig mer volumetrisk belastning-så mye at det faktisk vil øke i volum med 10-20%. Dette må være (og er – unntatt i tilfelle Av Et Bestemt Samsung-telefonbatteri uansett) tillatt ved utforming av en litiumioncelle-ellers kan anoden sakte svekke eller til slutt punktere den indre membranen som skiller anoden fra katoden, noe som forårsaker et dødt kort inne i cellen. Men bare en gang en haug med joules har blitt skjøvet inn i cellen (dermed utvide anoden).

Ok ok, men hva har noe av dette å gjøre med kalde temperaturer?

når du lader en litiumioncelle i under frysende temperaturer, mislykkes de fleste litiumioner i å interkalere inn i grafittanoden. I stedet plater de anoden med metallisk litium, akkurat som å galvanisere en anodemynt med et katodedelt metall. Så lading vil electroplate anoden med litium i stedet for, vel, lade den opp. Noen av ionene å interkalere inn i anoden, og noen av atomene i metallplating vil interkalere senere over 20 + timer hvis cellen får lov til å hvile, men de fleste vil ikke. Det er kilden til kapasitetsreduksjonen, økt intern motstand, og også faren.

Hvis du har lest mitt relaterte svar på stack exchange på spørsmålet ‘ Hvorfor er det så mye frykt rundt litiumionbatterier?’, du kan sikkert se hvor dette går.

denne litiumplettering av anoden er ikke fin og jevn og jevn – den dannes i dendriter, små skarpe tendrils av litiummetall som vokser på anoden.

som med de andre feilmekanismer som også skyldes metallisk litiumbelegg av anoden (men av forskjellige grunner), kan disse dendrittene sette uventet press på separasjonsmembranen når anoden utvides og tvinger dem inn i den, og hvis du er uheldig, vil dette føre til at membranen en dag mislykkes uventet (eller også umiddelbart, noen ganger en dendrit bare pokes et hull i det og berører katoden). Dette gjør selvfølgelig celleventilen, antenner sin brennbare elektrolytt og ødelegger helgen din (i beste fall).

men du lurer kanskje på, » hvorfor forårsaker under-frysende temperaturer litiummetallbelegg av anoden?»

og det uheldige og utilfredsstillende svaret er at vi faktisk ikke vet. Vi må bruke nøytronavbildning for å se inne i fungerende litiumionceller, og vurderer at det bare er rundt ~30 (31 tror jeg? verdensomspennende aktive forskningsreaktorer (atomreaktorer som fungerer som nøytronkilde) som faktisk er tilgjengelige for vitenskapelig forskning ved et universitet i stedet for brukt til medisinsk isotopproduksjon, og alle booket 24/7 for eksperimenter, tror jeg det er bare et spørsmål om tålmodighet. Det har bare vært noen få tilfeller av nøytronavbildning av litiumionbatterier, bare på grunn av mangel på utstyrstid.

siste gang dette ble brukt spesielt for dette kaldtemperaturproblemet var 2014 jeg tror, og her er artikkelen.

Til tross for overskriften har de fortsatt ikke løst nøyaktig hva det er som forårsaker plating i stedet for interkalering når cellen er under frysing.

Interessant er det faktisk mulig å lade en litiumioncelle under frysing, men bare ved svært lave strømmer, under 0.02 C (så mer enn en 50 timers ladetid). Det er også noen eksotiske celler kommersielt tilgjengelig som er spesielt utviklet for å være belastbare i kalde temperaturer, vanligvis til betydelig kostnad (både monetarily og i form av cellenes ytelse i andre områder).

Notat: Jeg bør legge til at utlading av et litiumionbatteri i under frysende temperaturer er helt trygt. De fleste celler har utslippstemperaturverdier på -20°C eller enda kaldere. Bare lading av en ‘frossen’ celle må unngås.