dlaczego ładowanie akumulatorów litowo-jonowych w niskich temperaturach zaszkodzi im?

„niskie temperatury” są strasznie niejasne. Po pierwsze, pozwólcie, że przedstawię kilka prawdziwych, twardych liczb.

nie ładuj akumulatorów litowo-jonowych poniżej 32°F/0°C. innymi słowy, nigdy nie ładuj akumulatora litowo-jonowego, który jest poniżej zamarznięcia.

zrobienie tego nawet raz spowoduje nagłą, poważną i trwałą utratę pojemności rzędu kilkudziesięciu lub więcej procent, a także podobny, a także stały wzrost oporu wewnętrznego. Uszkodzenie to występuje po jednym odizolowanym zdarzeniu „ładowania na zimno” i jest proporcjonalne do prędkości, z jaką komórka jest ładowana.

ale, co ważniejsze, ogniwo litowo-jonowe, które zostało naładowane na zimno, nie jest bezpieczne i musi być bezpiecznie poddane recyklingowi lub w inny sposób wyrzucone. Nie jest bezpieczny, mam na myśli, że będzie działał dobrze, dopóki nie wybuchnie losowo z powodu wibracji mechanicznych, wstrząsów mechanicznych lub po prostu osiągnie wystarczająco wysoki stan naładowania.

teraz, aby faktycznie odpowiedzieć na twoje pytanie: dlaczego tak jest?

wymaga to szybkiego podsumowania działania baterii litowo-jonowych. Mają anodę, katodę i elektrolit, tak jak każda inna bateria, ale jest skręt: jony litu faktycznie przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania i interkalują do niej. Istotą interkalacji jest to, że cząsteczki lub jony (w tym przypadku jony litu) są stłoczone między lukami molekularnymi sieci jakiegoś materiału.

podczas rozładowywania jony litu opuszczają anodę i wracają do katody, a także interkalują w katodzie. Tak więc zarówno katoda, jak i anoda działają jak rodzaj „gąbki” dla jonów litu.

gdy większość jonów litu jest interkalowana w katodzie (co oznacza, że bateria jest w stanie dość rozładowanym), materiał katody rozszerzy się nieznacznie z powodu odkształcenia objętościowego (z powodu wszystkich dodatkowych atomów zaklinowanych między jego kratą), ale generalnie większość z tego jest siłą interkalacji przekształcaną w naprężenia wewnętrzne (analogiczne do szkła hartowanego), więc odkształcenie objętościowe jest niewielkie.

podczas ładowania jony litu opuszczają katodę i interkalują w anodzie grafitowej. Grafit ma w zasadzie węglowy herbatnik, wykonany z kilku warstw grafenu, aby utworzyć zagregowaną strukturę herbatnika. American biscuit structure.

to znacznie zmniejsza zdolność anody grafitowej do przekształcania siły z interkalacji w naprężenia wewnętrzne, więc anoda ulega znacznie bardziej objętościowemu odkształceniu – tak bardzo, że faktycznie zwiększy objętość o 10-20%. Musi to być (i jest – z wyjątkiem pewnej baterii telefonu Samsung i tak) dozwolone przy projektowaniu ogniwa litowo-jonowego-w przeciwnym razie anoda może powoli osłabić lub nawet ostatecznie przebić wewnętrzną membranę, która oddziela anodę od katody, powodując martwe zwarcie wewnątrz ogniwa. Ale tylko raz kilka dżuli został wepchnięty do komórki (w ten sposób rozszerza anodę).

Ok ok, ale co to ma wspólnego z zimnymi temperaturami?

gdy ładujesz ogniwo litowo-jonowe poniżej temperatur zamarzania, większość jonów litu nie dociera do anody grafitowej. Zamiast tego nakładają anodę metalicznym litem, podobnie jak galwanizują monetę anodową metalem szlachetnym katody. Więc ładowanie galwanizuje anodę litem, a nie, cóż, ładuje ją. Niektóre jony do interkalacji w anodzie, a niektóre Atomy w metalowym poszyciu będą interkalować później przez ponad 20 godzin, jeśli komórka może odpocząć, ale większość nie. Jest to źródło redukcji pojemności, zwiększonego oporu wewnętrznego, a także zagrożenia.

jeśli przeczytałeś moją pokrewną odpowiedź na pytanie ” dlaczego tak bardzo boi się akumulatorów litowo-jonowych?’, prawdopodobnie widać, do czego to zmierza.

to litowe poszycie anody nie jest ładne i gładkie i równe – tworzy w dendrytach, małe ostre wąsy metalu litowego rosnące na anodzie.

podobnie jak w przypadku innych mechanizmów awarii, które również są spowodowane metalicznym poszyciem litu anody (choć z różnych powodów), te dendryty mogą wywierać nieoczekiwany nacisk na membranę oddzielającą, gdy anoda rozszerza się i zmusza je do niej, a jeśli masz pecha, spowoduje to nieoczekiwaną awarię membrany (lub natychmiast, czasami dendryty po prostu szturcha dziurę w nim i dotyka katody). To oczywiście sprawia, że komórka odpowietrza, zapala swój łatwopalny elektrolit i psuje weekend (w najlepszym razie).

ale, możesz się zastanawiać, ” dlaczego temperatury poniżej zera powodują litowe poszycie anody?”

a niefortunna i niesatysfakcjonująca odpowiedź jest taka, że tak naprawdę nie wiemy. Musimy użyć zobrazowania neutronowego, aby zajrzeć do wnętrza funkcjonujących ogniw litowo-jonowych, a biorąc pod uwagę, że jest ich tylko około ~30 (myślę, że 31?) na całym świecie aktywne Reaktory badawcze (reaktory jądrowe, które działają jako źródło neutronów), które są rzeczywiście dostępne do badań naukowych na uniwersytecie, a nie wykorzystywane do produkcji izotopów medycznych, a wszystkie z nich zarezerwowane 24/7 do eksperymentów, myślę, że to tylko kwestia cierpliwości. Było tylko kilka przypadków zobrazowania neutronowego akumulatorów litowo-jonowych po prostu z powodu niedoboru czasu sprzętu.

ostatni raz użyto tego specjalnie do tego problemu z zimną temperaturą był 2014, a oto artykuł.

pomimo nagłówka, nadal nie rozwiązali dokładnie, co powoduje poszycie, a nie interkalację, gdy komórka jest poniżej zamarznięcia.

co ciekawe, możliwe jest ładowanie ogniwa litowo-jonowego poniżej zera, ale tylko przy wyjątkowo niskich prądach, poniżej 0,02 C (czyli ponad 50-godzinny czas ładowania). Istnieje również kilka egzotycznych ogniw dostępnych w handlu, które są specjalnie zaprojektowane do ładowania w niskich temperaturach, zwykle po znacznych kosztach (zarówno monetarnie, jak i pod względem wydajności komórek w innych obszarach).

Uwaga: Dodam, że rozładowanie akumulatora litowo-jonowego w temperaturze poniżej zera jest całkowicie bezpieczne. Większość ogniw ma temperaturę rozładowania wynoszącą -20°C lub nawet zimniejszą. Należy unikać ładowania tylko „zamrożonej” komórki.