Почему зарядка литий-ионных батарей при низких температурах может нанести им вред?

В соответствии с тем, что я нашел в нескольких источниках (руководство пользователя электронных устройств, различные форумы, e.t.c.), я не должен заряжать свои литий-ионные батареи при низких температурах, потому что это навредило бы им. Однако совершенно непонятно, какой вид вреда они получат и почему именно они получат какой-либо вред вообще.

Это правда? Если да, то может ли кто-нибудь объяснить мне природу электронных и /или химических процессов, приводящих к повреждению при зарядке литиево-ионных батарей при низких температурах?

10 голосов | спросил vdudouyt 12 +03002016-10-12T05:21:56+03:00312016bEurope/MoscowWed, 12 Oct 2016 05:21:56 +0300 2016, 05:21:56

1 ответ


16

«Холодные температуры» ужасно расплывчаты. Во-первых, позвольте мне указать некоторые реальные, жесткие числа.

Не заряжайте литиево-ионные батареи ниже 32 ° F /0 ° C. Другими словами, никогда не заряжайте литиево-ионный аккумулятор, который находится ниже нуля.

Выполнение этого даже однажды приведет к внезапной, серьезной и постоянной потери мощности порядка нескольких десятков процентов или более, а также к аналогичному, а также постоянному увеличению внутреннего сопротивления. Это повреждение происходит только после одного изолированного события «холодного зарядки» и пропорционально скорости, с которой заряжается ячейка.

Но, что еще более важно, литий-ионная ячейка, которая была заряжена холодом, безопасна и должна быть безопасно переработана или иным образом отброшена. Небезопасно, я имею в виду, что он будет работать нормально, пока он случайно не взрывается из-за механической вибрации, механического удара или просто не достигнет достаточно высокого уровня заряда.

Теперь, чтобы ответить на ваш вопрос: почему это?

Это требует краткого описания работы литиево-ионных батарей. У них есть анод, катод и электролит, как и любая другая батарея, но есть завихрение: литиевые ионы действительно движутся от катода к аноду во время зарядки и интеркалировать . Суть интеркаляции заключается в том, что молекулы или ионы (ионы лития в этом случае) забиты между молекулярными зазорами решетки некоторого материала.

Во время разряда ионы лития покидают анод и возвращаются к катоду, а также проникают в катод. Таким образом, как катод, так и анод действуют как «губка» для ионов лития.

Когда большая часть ионов лития интеркалируется в катод (это означает, что батарея находится в довольно разряженном состоянии), материал катода будет слегка расширяться из-за объемной деформации (из-за всех дополнительных атомов, заклиненных между его решеткой) но в большинстве случаев это сила интеркаляции преобразуется во внутренние напряжения (аналогично закаленному стеклу), поэтому объемная деформация незначительна.

Во время зарядки ионы лития покидают катод и интеркалируют в графитовый анод. Графит - это, в основном, углеродный бисквит, состоящий из связки графеновых слоев с образованием совокупной структуры печенья. Структура американского бисквита.

Это значительно снижает способность графитового анода преобразовывать силу от интеркаляции во внутренние напряжения, поэтому анод испытывает значительно более объемную деформацию - настолько, что она фактически увеличится на 10-20%. Это должно быть (и в любом случае - за исключением случая использования какой-либо батареи телефона Samsung), разрешено при проектировании литиево-ионного элемента - иначе анод может медленно ослабить или даже в конечном счете проколоть внутреннюю мембрану, которая отделяет анод от катода, вызывая мертвая коротка внутри клетки. Но только после того, как куча джоулей была засунута в камеру (таким образом, расширяя анод).

Хорошо, но что это связано с холодными температурами?

Когда вы заряжаете литиево-ионную ячейку ниже температуры замерзания, большая часть ионов лития не проникает в графитовый анод. Вместо этого они наносят анод металлическим литием, подобно гальванизации анодной монеты с катодным драгоценным металлом. Таким образом, зарядка гальванизирует анод литием, а не, ну, заряжая его. Некоторые из ионов для интеркалирования в анод, и некоторые из атомов в металлическом покрытии будут интеркалировать позже в течение более 20 часов, если клетке будет разрешено отдохнуть, но большинство из них не будет. Это источник снижения мощности, повышенного внутреннего сопротивления, а также опасности.

Если вы прочитали мой связанный ответ на обмен стека на вопрос «Почему так много страха окружаетлитиево-ионные батареи? », вы, вероятно, увидите, где это происходит.

Это литиевое покрытие анода не является приятным и гладким и ровным - оно образуется в дендритах, небольшие острые усики металлического лития, растущие на аноде.

Как и в случае других механизмов разрушения, которые также обусловлены металлическим литиевым покрытием анода (хотя и по разным причинам), эти дендриты могут оказывать неожиданное давление на разделительную мембрану, когда анод расширяется и заставляет их в нее, и если вы «Не повезет, это заставит мембрану на один день неожиданно неожиданно (или сразу же, иногда дендрит просто протыкает дыру в ней и касается катода). Это, конечно же, делает отверстие ячейки, зажигает его легковоспламеняющийся электролит и разрушает ваши выходные (в лучшем случае).

Но вам может быть интересно: « почему температура ниже нуля заставляет литиевую металлизацию анода?»

И несчастный и неудовлетворительный ответ заключается в том, что мы на самом деле не знаем. Мы должны использовать нейтронную визуализацию, чтобы заглянуть внутрь функционирующих ионно-литиевых клеток, и учитывая, что во всем мире действуют активные исследовательские реакторы (ядерные реакторы, которые действуют как источник нейтронов), около 30 (31, я думаю?), Которые действительно доступны для научных исследований на университет, а не для производства медицинских изотопов, и все они забронировали 24/7 для экспериментов, я думаю, что это всего лишь вопрос терпения. Было только несколько случаев нейтронной визуализации литиево-ионных батарей просто из-за нехватки времени оборудования.

В последний раз, когда это использовалось специально для этой проблемы с холодной температурой, я полагаю, что в 2014 году и вот статья .

Несмотря на заголовок, они все еще не решили точно, что именно это вызывает гальванизацию, а не интеркаляцию, когда ячейка находится ниже нуля.

Интересно, что на самом деле можно заряжать литиево-ионную ячейку ниже нуля, но только при чрезвычайно низких токах ниже 0.02 ° C (поэтому более 50 часов заряда). Есть также несколько экзотических клеток, коммерчески доступных, которые специально предназначены для плавки при низких температурах, обычно при значительных затратах (как в денежном, так и в плане производительности ячеек в других областях).

Примечание: Я должен добавить, что разрядка литиево-ионный аккумулятор ниже температуры замерзания совершенно безопасен. Большинство камер имеют температуру на выходе -20 ° C или даже холоднее. Следует избегать зарядки «замороженной» ячейки.

ответил metacollin 2 MaramThu, 02 Mar 2017 03:33:52 +03002017-03-02T03:33:52+03:0003 2017, 03:33:52

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132