Почему литиевые батареи быстро разряжаются в холодную погоду? Раскрыть и обсудить

В холодную погоду напряжение разряда и емкость литиевых аккумуляторов снижаются в разной степени. Исследования показали, что когда литиевые батареи разряжаются при температуре -20°C, их номинальная емкость составляет лишь около 30%, а это означает, что емкость литиевых батарей разряжается гораздо быстрее, чем летом.
Почему литиевые батареи «боятся холода» так же, как люди? Какие химические изменения будут происходить в литиевых батареях в условиях низких температур? Именно об этом мы и поговорим сегодня.

Влияние холодной погоды на литиевые батареи

Холодная погода вредна для литиевых батарей. В холодных условиях, особенно при температуре ниже 0°C, литиевые батареи чувствительны к неблагоприятному воздействию низких температур. Это вызывает осаждение лития внутри батареи, что приводит к утолщению межфазной пленки твердого электролита (SEI), увеличению концентрации электролита и одновременному образованию литиевых дендритов.. Следовательно, эти химические реакции способствуют снижению емкости, что делает литиевые батареи более склонными к разрядке в холодную погоду.

1. Зарядка при низкой температуре может привести к выпадению лития в осадок.

Когда литиевые батареи заряжаются при низких температурах, электрохимическая реакция и диффузия твердых тел замедляются, а решетка материала сжимается. Ионы лития с положительного электрода не успевают достичь графитового слоя и на поверхности отрицательного электрода превращаются в металлический литий. Это осаждение лития. Осадки лития могут легко образовывать литиевые дендриты, а более крупные дендриты могут даже пробить сепаратор и повредить батарею.

2. Пленка SEI становится толще.

Мембрана SEI в основном состоит из алкилового эфира лития, карбоната лития и т. д. Она имеет многослойную структуру, а конец, близкий к электролиту, более плотный. Мембрана действует как промежуточная фаза между электродом и электролитом, обладает свойствами твердого электролита и позволяет свободно проходить только ионам лития и изолирована от электронов.
При низких температурах сопротивление пленки SEI увеличивается, потенциал отрицательного электрода смещается в сторону низкого потенциала, и ионы лития с большей вероятностью выпадают в осадок, вызывая разложение органического электролита с образованием новой пленки SEI, что приведет к меньшему количеству активные ионы лития в аккумуляторе. Все мы знаем, что емкость литиевых батарей определяется количеством ионов лития.

3. Увеличивается вязкость электродного раствора.

В условиях низких температур вязкость электролита увеличивается и даже частично затвердевает, в результате чего проводимость литий-ионных аккумуляторов снижается.
Кроме того, в условиях низких температур увеличивается омическое внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов.

Работают ли литиевые батареи в холодную погоду?

Выше мы обсуждали влияние низкой температуры на литиевые батареи, но этих факторов недостаточно, чтобы «убить» батарею. Противостояние литиевых батарей и холодной погоды в конечном итоге отражается на процессе проектирования и подготовки.

На рынке некоторые производители представили литиевые батареи «холодной температуры», утверждая, что они могут нормально заряжаться при -20°C и разряжаться при -50°C. В этих низкотемпературных литиевых батареях обычно используются специальные материалы и конструкции, повышающие их производительность и безопасность в условиях низких температур. Кроме того, некоторые производители электромобилей и производители аккумуляторов для мобильных телефонов также начали разработку технологии низкотемпературных аккумуляторов, подходящей для холодных условий, чтобы удовлетворить рыночный спрос.

Рекомендации по использованию литиевых батарей в холодную погоду

Если вы хотите нормально использовать устройства с литиевыми батареями в холодную зимнюю погоду, сводя к минимуму потенциальное повреждение батарей, рассмотрите возможность зарядки их в помещении с температурой выше 0°C. Кроме того, может оказаться полезным принятие стратегии поверхностной зарядки и разрядки, а также использование низкого тока для зарядки.

1. Зарядка при температуре выше 0 ℃.

   Когда температура ниже 0°C, эффективность зарядки и разрядки литиевых батарей значительно снижается. При чрезвычайно низких температурах, например -20°C, обычные литиевые батареи активируют защиту от низких температур и переходят в спящее состояние. В это время литиевую батарею или устройство следует переместить в помещение и перезарядить, когда температура станет немного нормальной, но будьте осторожны и держитесь подальше от легковоспламеняющихся предметов.

2. Неглубокая разрядка и неглубокая зарядка.

  Зимой, когда заряд аккумулятора ниже 30%, нужно вовремя его заряжать. Лучше всего зарядить его примерно до 80%.
Активность литиевых батарей снижается в условиях низких температур. Если они глубоко заряжены и разряжены, легко вызвать чрезмерную разрядку и перезарядку. Кроме того, будьте осторожны и не оставляйте зарядное устройство включенным для зарядки вашего устройства или автомобиля.

3. Используйте малый ток для зарядки.

Исследования показали, что зарядка аккумулятора с высокой скоростью при низком заряде аккумулятора, а затем зарядка небольшим током по мере увеличения заряда аккумулятора позволяет избежать осаждения лития. В условиях низкой температуры зарядку следует производить меньшим током. После зарядки дайте литий-ионному аккумулятору постоять в течение определенного периода времени, и осажденный металлический литий снова встроится в кристалл графита, уменьшая потерю активного лития.​

 

Хранение литиевых батарей в условиях низких температур

Вышеупомянутое содержание касается использования литиевых батарей в условиях низких температур, поэтому у вас могут возникнуть вопросы. Если просто хранить литиевые аккумуляторы, не используя их, потеряется ли емкость аккумулятора?

Если литиевая батарея не используется, приведет ли низкая температура к повреждению батареи?

Прежде чем ответить, нам необходимо знать механизм старения литий-ионных аккумуляторов: календарное старение и циклическое старение. Циклическое старение — это динамический процесс зарядки и разрядки, а календарное старение — это старение во время хранения без использования.

Календарное старение зависит от температуры и SOC. При высоких температурах и высоком SOC снижается стабильность границы раздела электрод/электролит и усиливаются побочные реакции - растворяются ионы металлов положительного электрода, выделяется кислород, разлагается электролит, утолщается пленка SEI на поверхности отрицательного электрода.

Поэтому низкие температуры в определенной степени смягчают процесс календарного старения. Не вызывает необратимой потери литий-ионных аккумуляторов при хранении.

Как хранить

Если аккумулятор не используется в течение длительного времени, не забудьте зарядить его до 50–80 % емкости, вынуть из устройства и заряжать регулярно каждый месяц. Если его невозможно разобрать, просто регулярно заряжайте его. Примечание. Батареи необходимо хранить в сухом месте.