por que carregar baterias Li-Ion em temperaturas frias as prejudicaria?

‘temperaturas frias’ são muito vagas. Primeiro, deixe-me realmente especificar alguns números reais e difíceis.

não carregue baterias de iões de lítio abaixo de 32 ° F/0 ° C. em outras palavras, nunca carregue uma bateria de iões de lítio que esteja abaixo de zero.

fazê-lo mesmo uma vez resultará em uma perda repentina, grave e permanente de capacidade na ordem de várias dezenas por cento ou mais, bem como um aumento semelhante e também Permanente da resistência interna. Esse dano ocorre após apenas um evento isolado de ‘carregamento a frio’ e é proporcional à velocidade com que a célula é carregada.

mas, ainda mais importante, uma célula de íon de lítio carregada a frio não é segura e deve ser reciclada com segurança ou descartada de outra forma. Por não ser Seguro, quero dizer, funcionará bem até explodir aleatoriamente devido a vibração mecânica, choque mecânico ou apenas atingir um estado de carga alto o suficiente.

agora, para realmente responder à sua pergunta: por que isso é?

isso requer um resumo rápido de como as baterias de íon de lítio funcionam. Eles têm um ânodo e cátodo e eletrólito como qualquer outra bateria, mas há uma torção: os íons de lítio realmente se movem do cátodo para o ânodo durante o carregamento e intercalam nele. A essência da intercalação é que moléculas ou íons (íons de lítio, neste caso) estão amontoados entre as lacunas moleculares da rede de algum material.

durante a descarga, os íons de lítio deixam o ânodo e retornam ao cátodo e, da mesma forma, intercalam no cátodo. Portanto, tanto o cátodo quanto o ânodo atuam como uma espécie de “esponja” para íons de lítio.

Quando a maioria dos íons de lítio são intercalados no cátodo (o que significa que a bateria é relativamente estado descarregado), o cátodo, o material vai se expandir um pouco devido à deformação volumétrica (por causa de todas as extra de átomos encaixada entre seus lattice), mas, geralmente, a maioria deles é intercalação força é convertido para tensões internas (análoga à de vidro temperado), de modo que a vazão de deformação é pequena.

durante o carregamento, os íons de lítio deixam o cátodo e intercalam no ânodo de grafite. Grafite tem é basicamente um biscoito de carbono, feito de um monte de camadas de grafeno para formar uma estrutura de biscoito agregado. Estrutura americana do biscoito.

isso reduz muito a capacidade do ânodo de grafite de converter a força da intercalação em tensões internas, de modo que o ânodo sofre significativamente mais tensão volumétrica – tanto que realmente aumentará em volume em 10-20%. Isso deve ser (e é – exceto no caso de uma certa bateria de telefone Samsung de qualquer maneira) permitido ao projetar uma célula de íon de lítio-caso contrário, o ânodo pode enfraquecer lentamente ou até mesmo perfurar a membrana interna que separa o ânodo do cátodo, causando um curto morto dentro da célula. Mas apenas uma vez um monte de joules foi empurrado para a célula (expandindo assim o ânodo).

Ok ok, mas o que isso tem a ver com temperaturas frias?

quando você carrega uma célula de íon de lítio em temperaturas abaixo de zero, a maioria dos íons de lítio não se intercalam no ânodo de grafite. Em vez disso, eles chapeiam o ânodo com lítio metálico, assim como galvanizar uma moeda de ânodo com um metal precioso de cátodo. Portanto, o carregamento galvaniza o ânodo com lítio em vez de, bem, recarregá-lo. Alguns dos íons para intercalar no ânodo, e alguns dos átomos no revestimento de metal intercalam mais tarde mais de 20+ horas se a célula puder descansar, mas a maioria não. Essa é a fonte da redução da capacidade, aumento da resistência interna e também do perigo.

se você leu minha resposta relacionada na troca de pilha para a pergunta ‘ Por que há tanto medo em torno das baterias de íon de lítio?”, você provavelmente pode ver para onde isso está indo.

este revestimento de lítio do ânodo não é agradável e suave e uniforme – ele se forma em dendritos, pequenas gavinhas afiadas de metal de lítio crescendo no ânodo.

Como com os outros mecanismos de falha que da mesma forma são devido a metalizado lítio chapeamento do ânodo (embora por razões diferentes), estes dendritos pode colocar inesperado pressão sobre a separação de membrana como o ânodo se expande e força para ele, e se você não está com sorte, isso fará com que a membrana para um dia falhar inesperadamente (ou também, imediatamente, às vezes, uma dendrite apenas pokes um buraco no meio e toca o cátodo). Isso, é claro, faz a célula desabafar, inflamar seu eletrólito inflamável e arruinar seu fim de semana (na melhor das hipóteses).

mas, você pode estar se perguntando: “Por que as temperaturas abaixo de zero causam o revestimento de metal de lítio do ânodo?”

e a resposta infeliz e insatisfatória é que na verdade não sabemos. Devemos usar imagens de nêutrons para olhar para dentro das células de íons de lítio em funcionamento, e considerando que existem apenas cerca de ~30 (31 Eu acho?) reatores de pesquisa ativos em todo o mundo (reatores nucleares que atuam como fonte de nêutrons) que estão realmente disponíveis para pesquisa científica em uma universidade em vez de usados para produção de isótopos médicos, e todos eles reservados 24/7 para experimentos, acho que é apenas uma questão de paciência. Houve apenas alguns casos de imagens de nêutrons de baterias de íon de lítio simplesmente devido à escassez de tempo de equipamento.

a última vez que isso foi usado especificamente para este problema de temperatura fria foi 2014 eu acredito, e aqui está o artigo.

apesar do título, eles ainda não resolveram exatamente o que causa chapeamento em vez de intercalação quando a célula está abaixo de zero.

curiosamente, é realmente possível carregar uma célula de íon de lítio abaixo de zero, mas apenas em correntes extremamente baixas, abaixo de 0,02 C (portanto, mais de 50 horas de tempo de carga). Existem também algumas células exóticas comercialmente disponíveis que são projetadas especificamente para serem cobradas em temperaturas frias, geralmente a um custo significativo (tanto monetariamente quanto em termos de desempenho das células em outras áreas).

Nota: Devo acrescentar que descarregar uma bateria de íon de lítio em temperaturas abaixo de zero é perfeitamente seguro. A maioria das células tem classificações de temperatura de descarga de -20°C ou até mais frias. Apenas o carregamento de uma célula “congelada” precisa ser evitado.