de ce încărcarea bateriilor Li-Ion la temperaturi scăzute le-ar dăuna?

temperaturile reci sunt extrem de vagi. În primul rând, permiteți-mi să precizeze de fapt, unele numere reale, greu.

nu încărcați acumulatori litiu-ion sub 32 CTF/0 CTF C. cu alte cuvinte, nu încărcați niciodată acumulatori litiu-ion sub punctul de îngheț.

acest lucru chiar și o singură dată va duce la o pierdere bruscă, severă și permanentă a capacității de ordinul a câteva zeci la sută sau mai mult, precum și o creștere similară și permanentă a rezistenței interne. Această deteriorare are loc după un singur eveniment izolat de încărcare la rece și este proporțională cu viteza cu care este încărcată celula.

dar, chiar mai important, o celulă litiu-ion care a fost încărcată la rece nu este sigură și trebuie reciclată în siguranță sau aruncată în alt mod. Prin faptul că nu este sigur, vreau să spun că va funcționa bine până când va exploda aleatoriu din cauza vibrațiilor mecanice, a șocurilor mecanice sau doar a ajunge la o stare de încărcare suficient de mare.

acum, pentru a răspunde la întrebarea dvs.: de ce este aceasta?

acest lucru necesită un rezumat rapid al modului în care funcționează bateriile litiu-ion. Au un anod și un catod și un electrolit la fel ca orice altă baterie, dar există o răsucire: ionii de litiu se deplasează de fapt de la catod la anod în timpul încărcării și se intercalează în el. Esența intercalării este că moleculele sau ionii (ionii de litiu în acest caz) sunt înghesuiți între golurile moleculare ale rețelei unui material.

în timpul descărcării, ionii de litiu părăsesc anodul și se întorc la catod și, de asemenea, se intercalează în catod. Deci atât catodul cât și anodul acționează ca un fel de burete pentru ionii de litiu.

când majoritatea ionilor de litiu sunt intercalați în catod (adică bateria este într-o stare destul de descărcată), Materialul catodic se va extinde ușor datorită tensiunii volumetrice (din cauza tuturor atomilor suplimentari încastrați între rețeaua sa), dar, în general, cea mai mare parte a acesteia este forța de intercalare este transformată în solicitări interne (analog cu sticla călită), astfel încât tensiunea volumetrică este ușoară.

în timpul încărcării, ionii de litiu părăsesc catodul și se intercalează în anodul de grafit. Grafitul are este practic un biscuit de carbon, realizat dintr-o grămadă de straturi de grafen pentru a forma o structură de biscuiți agregată. Structura biscuiților americani.

acest lucru reduce foarte mult capacitatea anodului de grafit de a converti forța din intercalare în solicitări interne, astfel încât anodul suferă o tensiune volumetrică semnificativ mai mare – atât de mult încât va crește efectiv în volum cu 10-20%. Acest lucru trebuie să fie (și este – cu excepția cazului unei anumite baterii de telefon Samsung oricum) permis atunci când proiectați o celulă litiu – ion-altfel anodul poate slăbi încet sau chiar în cele din urmă poate perfora membrana internă care separă anodul de catod, provocând un scurt mort în interiorul celulei. Dar numai o dată o grămadă de jouli a fost împinsă în celulă (extinzând astfel anodul).

Ok ok, dar ce legătură are asta cu temperaturile scăzute?

când încărcați o celulă litiu-ion la temperaturi sub îngheț, majoritatea ionilor de litiu nu reușesc să se intercaleze în anodul de grafit. În schimb, placează anodul cu litiu metalic, la fel ca galvanizarea unei monede anodice cu un metal prețios catodic. Deci, încărcarea va galvaniza anodul cu litiu, mai degrabă decât, bine, reîncărcarea acestuia. Unii dintre ioni se intercalează în anod, iar unii dintre atomii din placarea metalică se vor intercala mai târziu peste 20+ ore dacă celula este lăsată să se odihnească, dar majoritatea nu. Aceasta este sursa reducerii capacității, creșterea rezistenței interne și, de asemenea, pericolul.

dacă ați citit răspunsul meu legat de schimbul de stive la întrebarea ‘de ce există atât de multă frică în jurul bateriilor litiu-ion?’, puteți vedea, probabil, în cazul în care acest lucru se întâmplă.

această placare cu litiu a anodului nu este frumoasă și netedă și uniformă – se formează în dendrite, mici tendriluri ascuțite de metal litiu care cresc pe anod.

ca și în cazul celorlalte mecanisme de defectare care se datorează, de asemenea, placării metalice cu litiu a anodului (deși din diferite motive), aceste dendrite pot pune o presiune neașteptată asupra membranei de separare pe măsură ce anodul se extinde și îi forțează să intre în el, iar dacă aveți ghinion, acest lucru va face ca membrana să eșueze într-o zi în mod neașteptat (sau, de asemenea, imediat, uneori, un dendrit doar înfige o gaură în el și atinge catodul). Desigur, acest lucru face ca celula să se aerisească, să-și aprindă electrolitul inflamabil și să-ți strice weekendul (în cel mai bun caz).

dar, s-ar putea să vă întrebați: „de ce temperaturile sub îngheț cauzează placarea cu litiu a anodului?”

și răspunsul nefericit și nesatisfăcător este că nu știm de fapt. Trebuie să folosim imagistica neutronică pentru a privi în interiorul celulelor litiu-ion funcționale și având în vedere că există doar aproximativ ~30 (31 cred?) Reactoare de cercetare active la nivel mondial (reactoare nucleare care acționează ca o sursă de neutroni) care sunt de fapt disponibile pentru cercetarea științifică la o universitate, mai degrabă decât utilizate pentru producerea izotopilor medicali și toate rezervate 24/7 pentru experimente, cred că este doar o chestiune de răbdare. Au existat doar câteva cazuri de imagistică cu neutroni a bateriilor litiu-ion pur și simplu din cauza deficitului de timp al echipamentului.

ultima dată când acest lucru a fost folosit în mod special pentru această problemă de temperatură rece a fost 2014 cred, și aici este articolul.

în ciuda titlului, încă nu au rezolvat cu adevărat exact ceea ce cauzează placarea, mai degrabă decât intercalarea, atunci când celula este sub îngheț.

interesant, este de fapt posibil să încărcați o celulă litiu-ion sub îngheț, dar numai la curenți extrem de mici, sub 0,02 C (deci mai mult de un timp de încărcare de 50 de ore). Există, de asemenea, câteva celule exotice disponibile în comerț, care sunt special concepute pentru a fi taxabile la temperaturi scăzute, de obicei la un cost semnificativ (atât monetar, cât și în ceea ce privește performanța celulelor în alte zone).

notă: Ar trebui să adaug că descărcarea unei baterii litiu-ion la temperaturi sub îngheț este perfect sigură. Cele mai multe celule au rating de temperatură de descărcare de gestiune de -20 C sau chiar mai rece. Numai încărcarea unei celule înghețate trebuie evitată.