"Холодні температури" жахливо розпливчасті. По-перше, дозвольте мені фактично вказати кілька реальних важких цифр.
Не заряджайте літій-іонні акумулятори нижче 32 ° F / 0 ° C. Іншими словами, ніколи не заряджайте літій-іонний акумулятор, який знаходиться нижче замерзання.
Якщо це зробити навіть один раз, це призведе до раптової, серйозної та постійної втрати працездатності приблизно на кілька десятків відсотків і більше, а також аналогічного, а також постійного збільшення внутрішнього опору. Це пошкодження відбувається лише після однієї події, що є «холодною зарядкою», і пропорційна швидкості, з якою заряджається осередок.
Але, що ще важливіше, холодна зарядка літій-іонної комірки НЕ є безпечною і повинна бути безпечно перероблена або викинута іншим способом. Я не маю на увазі, це буде чудово працювати, поки він випадковим чином не вибухне через механічну вібрацію, механічний удар або просто досягне достатньо високого рівня заряду.
Тепер, щоб насправді відповісти на ваше запитання: чому це?
Для цього потрібен короткий підсумок роботи літій-іонних батарей. Вони мають анод і катод і електроліт, як і будь-який інший акумулятор, але є поворот: іони літію фактично переміщуються від катода до анода під час зарядки і вбудовуються в нього. Суть інтеркаляції полягає в тому, що молекули або іони (в даному випадку іони літію) утиснуті між молекулярними розривами решітки деяких матеріалів.
Під час вивільнення іони літію залишають анод і повертаються до катода, а також інтеркалюють у катод. Отже, і катод, і анод діють як своєрідна «губка» для іонів літію.
Коли більша частина іонів літію буде інтеркальована в катод (тобто батарея знаходиться в досить розрядженому стані), катодний матеріал дещо розшириться за рахунок об'ємного деформації (через усі зайві атоми, затиснуті між його решіткою), але, як правило, більшість з цієї сили інтеркаляція перетворюється на внутрішні напруги (аналогічні загартованому склу), тому об'ємна деформація невелика.
Під час зарядки іони літію залишають катод і інтеркалюють у графітовий анод. Графіт - це в основному вуглецеве печиво, виготовлене з кучки графенових шарів, щоб утворити сукупну структуру бісквіта. Структура американського печива.
Це значно знижує здатність графітового анода перетворювати силу від інтеркаляції у внутрішні напруження, тому анод зазнає значно більшого об'ємного деформації - настільки, що він фактично збільшиться в об'ємі на 10-20%. Це повинно бути (і, окрім випадків, коли це стосується певного акумулятора телефону Samsung), при проектуванні літій-іонної комірки - інакше анод може повільно слабшати або навіть в кінцевому підсумку проколювати внутрішню мембрану, яка відокремлює анод від катода, викликаючи мертвий короткий всередині клітини. Але лише одного разу пучок джоулів засунувся в клітинку (таким чином розширивши анод).
Добре, але що стосується холодних температур?
Коли ви заряджаєте іон літію літієм при нижчих температурах замерзання, більшість іонів літію не встигають перетворитися в графітовий анод. Натомість вони обклеюють анод металевим літієм, подібно до гальваніки анодної монети катодним дорогоцінним металом. Таким чином, зарядка буде гальмувати анод літієм, а не, ну, заряджати його. Деякі з іонів, які втручаються в анод, а деякі з атомів металевого покриття будуть інтеркалюватися пізніше, ніж за 20+ годин, якщо клітині давати спокій, але більшості - не. Це джерело зниження ємності, підвищення внутрішнього опору, а також небезпека.
Якщо ви прочитали мою відповідь на обмін стеками на питання "Чому так багато страху перед оточуючими літій-іонними батареями?", Ви, ймовірно, можете побачити, куди це йде.
Це літієве покриття анода не є приємним і рівним і рівним - воно утворює дендрити, невеликі гострі вусики металу літію, що ростуть на аноді.
Як і в інших механізмах відмов, які також зумовлені металевим літієвим покриттям анода (хоча і з різних причин), ці дендрити можуть чинити несподіваний тиск на розділювальну мембрану, оскільки анод розширюється і примушує їх до нього, і якщо вам не пощастить , це призведе до того, що мембрана одного разу несподівано вийде з ладу (або також негайно, іноді дендрит просто просуває в ньому отвір і торкається катода). Це, звичайно, змушує вентиляцію клітини, запалює її легкозаймистий електроліт і руйнує вихідні (у кращому випадку).
Але, вам може бути цікаво, " чому температури нижче замерзання викликають літієве металеве покриття анода?"
І прикрою і незадовільною відповіддю є те, що насправді ми не знаємо. Ми повинні використовувати нейтронні зображення для огляду всередині функціонуючих літій-іонних клітин, і, враховуючи, що у всьому світі є близько ~ 30 (я думаю? університет, а не використовується для виробництва медичних ізотопів, і всі вони бронювали цілодобово на експерименти, я думаю, що це лише питання терпіння. Зафіксовано лише кілька випадків нейтронної візуалізації літій-іонних батарей просто через дефіцит часу обладнання.
Останній раз, коли це було використано спеціально для цієї проблеми з холодною температурою, було в 2014 році, і ось стаття .
Незважаючи на заголовок, вони все ще не вирішили саме те, що саме спричиняє покриття, а не інтеркаляцію, коли осередок нижче замерзає.
Цікаво, що насправді можна зарядити літій-іонну клітинку нижче замерзання, але лише при надзвичайно низьких струмах, нижче 0,02С (тобто більше за 50 годин часу заряду). Також є кілька комерційних екзотичних клітин, які спеціально розроблені для зарядки при холодних температурах, як правило, за значних витрат (як грошово, так і з точки зору продуктивності клітин в інших районах).
Примітка. Слід додати, що розряджання літій-іонного акумулятора при нижчих температурах замерзання є абсолютно безпечним. Більшість клітин мають рейтинги температури скидання -20 ° C або навіть холодніше. Потрібно уникати лише заряджання "замороженої" комірки.