waarom zou het laden van Li-Ion-accu ‘ s bij koude temperaturen schadelijk zijn?

‘koude temperaturen’ is erg vaag. Laat me eerst wat echte, harde getallen specificeren.Laad geen lithium-ion-accu ‘ s op onder 32°F/0°C. met andere woorden, Laad nooit een lithium-ion-accu op die onder het vriespunt ligt.

als dit eenmaal gebeurt, zal dit resulteren in een plotseling, ernstig en permanent capaciteitsverlies in de Orde van grootte van enkele tientallen procent of meer, evenals een vergelijkbare en ook permanente toename van de interne weerstand. Deze schade treedt op na slechts één geïsoleerde ‘koude lading’ gebeurtenis, en is evenredig met de snelheid waarmee de cel wordt opgeladen.

maar, nog belangrijker, een lithium-ioncel die koud is opgeladen, is niet veilig en moet veilig worden gerecycleerd of anderszins worden weggegooid. Met niet veilig bedoel ik dat het prima zal werken totdat het willekeurig explodeert als gevolg van mechanische trillingen, mechanische schokken, of gewoon een hoog genoeg staat van lading bereikt.

nu, om eigenlijk uw vraag te beantwoorden: Waarom is dit?

dit vereist een korte samenvatting van hoe lithium-ion-batterijen werken. Ze hebben een anode en kathode en elektrolyt net als elke andere batterij, maar er is een twist: lithiumionen daadwerkelijk verplaatsen van de kathode naar anode tijdens het opladen en intercalate erin. De kern van intercalatie is dat moleculen of ionen (lithium ionen in dit geval) worden gepropt tussen de moleculaire hiaten van het rooster van sommige materialen.

tijdens het lossen verlaten de lithiumionen de anode en keren terug naar de kathode, en intercaleren ze ook in de kathode. Dus zowel de kathode als de anode fungeren als een soort ‘spons’ voor lithiumionen.

wanneer de meeste lithiumionen in de kathode worden geintercaleerd (wat betekent dat de batterij vrij leeg is), zal het kathodemateriaal licht uitzetten door volumetrische spanning (vanwege alle extra atomen die tussen het rooster zitten), maar over het algemeen is het grootste deel hiervan dat de intercalatiekracht wordt omgezet in interne spanningen (analoog aan gehard glas), zodat de volumetrische spanning gering is.

tijdens het laden verlaten de lithiumionen de kathode en intercaleren ze in de grafietanode. Grafiet heeft eigenlijk een koolstofbiscuit, gemaakt van een stel grafeenlagen om een samengestelde biscuitstructuur te vormen. Amerikaanse koekjesstructuur.

dit vermindert het vermogen van de grafietanode om de kracht van de intercalatie om te zetten in interne spanningen, waardoor de anode aanzienlijk meer volumetrische belasting ondergaat – zozeer zelfs dat het volume met 10-20% zal toenemen. Dit moet (en is-behalve in het geval van een bepaalde Samsung telefoon batterij toch) toegestaan voor bij het ontwerpen van een lithium – ion cel-anders kan de anode langzaam verzwakken of zelfs uiteindelijk punctie van de interne membraan dat de anode scheidt van de kathode, waardoor een dode kort in de cel. Maar slechts een keer een bos van joules is geduwd in de cel (dus het uitbreiden van de anode).

Ok ok, maar wat heeft dit te maken met koude temperaturen?

wanneer u een lithiumioncel oplaadt bij temperaturen onder het vriespunt, steken de meeste lithiumionen niet tussen elkaar in de grafietanode. In plaats daarvan plaatden ze de anode met metaallithium, net als het galvaniseren van een anode munt met een kathode edelmetaal. Dus opladen zal de anode galvaniseren met lithium in plaats van het op te laden. Sommige ionen die in de anode moeten intercaleren, en sommige atomen in de metaalplaat zullen later meer dan 20 uur intercaleren als de cel mag rusten, maar de meeste niet. Dat is de bron van capaciteitsvermindering, verhoogde interne weerstand en ook het gevaar.

Als u mijn gerelateerde antwoord op stack exchange op de vraag ‘Waarom is er zoveel angst rond lithium-ionbatterijen?’, kun je waarschijnlijk zien waar dit heen gaat.

deze lithiumplaat van de anode is niet mooi glad en gelijkmatig – het vormt zich in dendrieten, kleine scherpe ranken van lithiummetaal die op de anode groeien.

net als bij de andere faalmechanismen, die eveneens te wijten zijn aan de metalen lithiumplating van de anode (zij het om verschillende redenen), kunnen deze dendrieten onverwachte druk uitoefenen op het scheidingsmembraan als de anode uitdijt en ze erin dwingt, en als je pech hebt, zal dit ervoor zorgen dat het membraan op een dag onverwacht faalt (of ook onmiddellijk, soms steekt een dendriet er gewoon een gat in en raakt de kathode). Dit maakt natuurlijk de celventilatie, ontbranden zijn brandbare elektrolyt, en ruïneren uw weekend (op zijn best).

maar u vraagt zich misschien af: “waarom veroorzaken temperaturen onder het vriespunt lithiummetaalplaten van de anode?”

en het ongelukkige en onbevredigende antwoord is dat we het eigenlijk niet weten. We moeten neutron imaging gebruiken om te kijken in functionerende lithium-ion cellen, en gezien er slechts rond ~30 (31 denk ik?) wereldwijd actieve onderzoeksreactoren (kernreactoren die fungeren als een neutronenbron) die eigenlijk beschikbaar zijn voor wetenschappelijk onderzoek aan een universiteit in plaats van gebruikt voor medische isotoop productie, en ze allemaal geboekt 24/7 voor experimenten, ik denk dat het is gewoon een kwestie van geduld. Er zijn slechts een paar gevallen geweest van neutronenweergave van lithium-ion batterijen gewoon als gevolg van schaarste van de apparatuur tijd.

de laatste keer dat dit specifiek werd gebruikt voor dit koude temperatuurprobleem was 2014 geloof ik, en hier is het artikel.

ondanks de kop hebben ze nog steeds niet echt opgelost wat de oorzaak is van plating in plaats van intercalatie wanneer de cel onder het vriespunt ligt.

interessant is dat het eigenlijk mogelijk is om een lithium-ioncel op te laden onder het vriespunt, maar alleen bij extreem lage stromen, onder 0,02 C (dus meer dan 50 uur oplaadtijd). Er zijn ook een paar exotische cellen in de handel verkrijgbaar die speciaal zijn ontworpen om in koude temperaturen te worden belast, meestal tegen aanzienlijke kosten (zowel monetair als in termen van de prestaties van de cellen in andere gebieden).

Noot: Ik moet hieraan toevoegen dat het ontladen van een lithium-ion batterij onder vriestemperaturen volkomen veilig is. De meeste cellen hebben lossingstemperatuurwaarden van -20°C of zelfs kouder. Alleen het opladen van een ‘bevroren’ cel hoeft vermeden te worden.