Warum kann das Laden von Li-Ion-Akkus bei niedrigen Temperaturen zu Schäden führen?

Entsprechend dem, was ich in verschiedenen Quellen gefunden habe (Benutzerhandbuch für elektronische Geräte, verschiedene Foren usw.), sollte ich meine Li-Ion-Akkus nicht bei kalten Temperaturen aufladen, da dies ihnen schaden würde. Es ist jedoch völlig unklar, welche Art von Schaden sie erleiden und warum genau sie überhaupt Schaden erleiden würden.

Stimmt das wirklich? Wenn ja, kann mir dann jemand die Art der elektronischen und / oder chemischen Prozesse erklären, die beim Laden von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu Schäden führen?

"Kalte Temperaturen" sind furchtbar vage. Lassen Sie mich zunächst einige echte, harte Zahlen angeben.

Laden Sie Lithium-Ionen-Akkus nicht unter 0 ° C auf. Laden Sie mit anderen Worten niemals einen Lithium-Ionen-Akku, der unter dem Gefrierpunkt liegt.

Wenn Sie dies nur einmal tun, führt dies zu einem plötzlichen, schweren und dauerhaften Kapazitätsverlust in der Größenordnung von mehreren Dutzend Prozent oder mehr sowie zu einem ähnlichen und auch dauerhaften Anstieg des Innenwiderstands. Dieser Schaden tritt nach nur einem isolierten "Kaltlade" -Ereignis auf und ist proportional zur Geschwindigkeit, mit der die Zelle geladen wird.

Noch wichtiger ist jedoch, dass eine Lithium-Ionen-Zelle, die kalt geladen wurde, NICHT sicher ist und sicher recycelt oder auf andere Weise entsorgt werden muss. Mit "nicht sicher" meine ich, es funktioniert einwandfrei, bis es zufällig aufgrund mechanischer Vibration, mechanischer Erschütterung explodiert oder gerade einen ausreichend hohen Ladezustand erreicht.

Um Ihre Frage zu beantworten: Warum ist das so?

Dies erfordert eine kurze Zusammenfassung der Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien. Sie haben eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten wie jede andere Batterie, aber es gibt eine Wendung: Lithiumionen bewegen sich während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode und interkalieren in diese. Das Wesentliche bei der Interkalation ist, dass Moleküle oder Ionen (in diesem Fall Lithiumionen) zwischen die molekularen Lücken eines Materialgitters gedrückt werden.

Während des Entladens verlassen die Lithiumionen die Anode und kehren zur Kathode zurück und interkalieren ebenfalls in die Kathode. So wirken sowohl die Kathode als auch die Anode als eine Art "Schwamm" für Lithiumionen.

Wenn der größte Teil der Lithiumionen in die Kathode eingelagert wird (was bedeutet, dass sich die Batterie in einem ziemlich entladenen Zustand befindet), dehnt sich das Kathodenmaterial aufgrund der Volumendehnung geringfügig aus (wegen aller zusätzlichen Atome, die zwischen ihrem Gitter eingeklemmt sind), im Allgemeinen jedoch am meisten Davon wird die Interkalationskraft in innere Spannungen umgewandelt (analog zu gehärtetem Glas), so dass die volumetrische Dehnung gering ist.

Während des Ladens verlassen die Lithiumionen die Kathode und interkalieren in die Graphitanode. Graphit ist im Grunde genommen ein Kohlenstoffkeks, der aus einem Bündel von Graphenschichten besteht, um eine aggregierte Keksstruktur zu bilden. Amerikanische Keksstruktur.

Dies verringert die Fähigkeit der Graphitanode, die Kraft aus der Einlagerung in innere Spannungen umzuwandeln, erheblich, so dass die Anode einer wesentlich stärkeren Volumendehnung ausgesetzt ist - so sehr, dass ihr Volumen tatsächlich um 10 bis 20% zunimmt. Dies muss (und ist - außer bei einem bestimmten Samsung-Handyakku) beim Design einer Lithium-Ionen-Zelle ohnehin erlaubt - sonst kann die Anode die innere Membran, die die Anode von der Kathode trennt, langsam schwächen oder sogar letztendlich durchstoßen, was zur Folge hat Ein toter Kurzschluss in der Zelle. Aber nur einmal wurde ein Haufen Joule in die Zelle geschoben (wodurch die Anode erweitert wurde).

Ok ok, aber was hat das alles mit kalten Temperaturen zu tun?

Wenn Sie eine Lithium-Ionen-Zelle bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufladen, können die meisten Lithium-Ionen nicht in die Graphitanode eingelagert werden. Stattdessen beschichten sie die Anode mit metallischem Lithium, genauso wie eine Anodenmünze mit einem Kathodenedelmetall galvanisiert wird. Das Aufladen galvanisiert also die Anode mit Lithium, anstatt sie wieder aufzuladen. Einige der Ionen, die in die Anode eingelagert werden sollen, und einige der Atome in der Metallbeschichtung werden später über 20 Stunden eingelagert, wenn die Zelle ruhen darf, die meisten jedoch nicht. Das ist die Quelle der Kapazitätsreduzierung, des erhöhten Innenwiderstands und auch der Gefahr.

Wenn Sie meine Antwort zum Austausch von Stapeln auf die Frage "Warum gibt es so viel Angst um Lithium-Ionen-Batterien?" Gelesen haben, können Sie wahrscheinlich sehen, wohin dies führt.

Diese Lithiumbeschichtung der Anode ist nicht schön und glatt und gleichmäßig - sie bildet sich in Dendriten, kleinen scharfen Ranken aus Lithiummetall, die auf der Anode wachsen.

Wie bei den anderen Versagensmechanismen, die ebenfalls auf die metallische Lithiumplattierung der Anode zurückzuführen sind (wenn auch aus unterschiedlichen Gründen), können diese Dendriten einen unerwarteten Druck auf die Trennmembran ausüben, wenn sich die Anode ausdehnt und sie hineindrückt, und wenn Sie Pech haben Dies führt dazu, dass die Membran eines Tages unerwartet ausfällt (oder auch sofort, manchmal steckt ein Dendrit einfach ein Loch hinein und berührt die Kathode). Dadurch entlüftet die Zelle natürlich, entzündet ihren brennbaren Elektrolyten und ruiniert Ihr Wochenende (bestenfalls).

Aber Sie fragen sich vielleicht, warum Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die Anode mit Lithiummetall überziehen.

Und die unglückliche und unbefriedigende Antwort ist, dass wir es nicht wirklich wissen. Wir müssen die Neutronen-Bildgebung verwenden, um in funktionierende Lithium-Ionen-Zellen zu schauen, und wenn man bedenkt, dass es weltweit nur etwa 30 (meiner Meinung nach 31) aktive Forschungsreaktoren gibt (Kernreaktoren, die als Neutronenquelle fungieren), die tatsächlich für die wissenschaftliche Forschung an einem der beiden Standorte zur Verfügung stehen Ich denke, es ist nur eine Frage der Geduld, dass die Universität nicht für die Herstellung medizinischer Isotope genutzt wird, und alle haben rund um die Uhr für Experimente gebucht. Es gab nur wenige Fälle von Neutronen-Imaging von Lithium-Ionen-Batterien, einfach weil die Gerätezeit knapp war.

Das letzte Mal, dass dies speziell für dieses Kälteproblem verwendet wurde, war 2014, glaube ich, und hier ist der Artikel .

Trotz der Überschrift haben sie immer noch nicht genau geklärt, was die Plattierung und nicht die Interkalation verursacht, wenn die Zelle unter dem Gefrierpunkt liegt.

Interessanterweise ist es tatsächlich möglich, eine Lithium-Ionen-Zelle unter dem Gefrierpunkt zu laden, jedoch nur bei sehr geringen Strömen unter 0,02 ° C (also mehr als 50 Stunden Ladezeit). Es gibt auch einige wenige im Handel erhältliche exotische Zellen, die speziell entwickelt wurden, um bei kalten Temperaturen aufgeladen zu werden, normalerweise zu erheblichen Kosten (sowohl finanziell als auch im Hinblick auf die Leistung der Zellen in anderen Bereichen).

Hinweis: Ich sollte hinzufügen, dass das Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt absolut sicher ist. Die meisten Zellen haben Entladungstemperaturen von -20 ° C oder noch kälter. Nur das Laden einer "gefrorenen" Zelle muss vermieden werden.