'Soğuk sıcaklıklar' oldukça belirsizdir. İlk olarak, bazı gerçek, sert sayılar belirteyim.
Lityum iyon pilleri 0 ° C / 32 ° F'nin altında şarj etmeyin. Başka bir deyişle, asla donma noktasının altındaki bir lityum iyon pili şarj etmeyin.
Bunu bir kez bile yapmak, birkaç düzine veya daha fazla sırada ani, ciddi ve kalıcı bir kapasite kaybına ve aynı zamanda iç dirençte benzer ve kalıcı bir artışa neden olacaktır. Bu hasar sadece bir izole 'soğuk şarj' olayından sonra ortaya çıkar ve hücrenin şarj edilme hızı ile orantılıdır.
Ancak, daha da önemlisi, soğuk yüklü bir lityum iyon hücresi güvenli DEĞİLDİR ve güvenli bir şekilde geri dönüştürülmeli veya başka türlü atılmalıdır. Güvenli değil, yani mekanik titreşim, mekanik şok veya sadece yeterince yüksek bir şarj durumuna ulaşana kadar rastgele patlayana kadar iyi çalışacaktır.
Şimdi, sorunuzu gerçekten cevaplamak için: neden bu?
Bu, lityum iyon pillerin nasıl çalıştığının hızlı bir özetini gerektirir. Diğer piller gibi bir anot, katot ve elektrolitleri vardır, ancak bir bükülme vardır: lityum iyonları şarj sırasında aslında katottan anoda doğru hareket eder ve buna araya eklenir. İnterkalasyonun özü, moleküllerin veya iyonların (bu durumda lityum iyonları) bazı materyalin kafesinin moleküler boşlukları arasında sıkışmış olmasıdır.
Boşaltma sırasında, lityum iyonları anodu terk eder ve katoda geri döner ve aynı şekilde katoda araya eklenir. Dolayısıyla hem katot hem de anot, lityum iyonları için bir tür 'sünger' görevi görür.
Lityum iyonlarının çoğu katoda araya girdiğinde (yani pil oldukça boşalmış bir durumda), katot malzemesi hacimsel zorlanma nedeniyle hafifçe genişleyecektir (genellikle kafesleri arasında sıkışmış tüm ekstra atomlar nedeniyle), ancak genellikle çoğu Bunun interkalasyon kuvveti iç gerilimlere (temperli cama benzer) dönüştürülür, böylece hacimsel gerilme hafiftir.
Şarj sırasında, lityum iyonları katotdan ayrılır ve grafit anodun içine katlanır. Grafit temel olarak, bir agrega bisküvi yapısı oluşturmak için bir grup grafen katmanından yapılmış bir karbon bisküvisidir. Amerikan bisküvi yapısı.
Bu, grafit anodun kuvveti, interkalasyondan iç gerilimlere dönüştürme yeteneğini büyük ölçüde azaltır, böylece anot, hacimce% 10-20 oranında artacağı için çok daha fazla hacimsel zorlamaya maruz kalır. Bu, bir lityum iyon hücresi tasarlarken izin verilmeli (ve - belirli bir Samsung telefon pili hariç) - aksi takdirde anot, anodu katottan ayıran iç zarı yavaşça zayıflatabilir veya hatta delebilir ve bu da hücrenin içinde ölü bir kısa devre. Ancak sadece bir kez bir grup joule hücrenin içine itildi (böylece anodu genişletti).
Tamam tamam, ama bunların soğuk sıcaklıklarla ne ilgisi var?
Bir lityum iyon hücresini donma sıcaklıklarının altında şarj ettiğinizde, lityum iyonlarının çoğu grafit anoduna araya giremez. Bunun yerine, bir anot parasını bir katot değerli metalle elektrokaplamak gibi anodu metalik lityum ile plakalar. Böylece şarj etmek anodu şarj etmek yerine lityum ile elektrolize edecektir. Bazı iyonlar anodun içine katlanır ve metal kaplamadaki bazı atomlar, hücrenin dinlenmesine izin verilirse 20 saatten fazla bir süre sonra araya girer, ancak çoğu olmaz. Kapasite azalmasının, artan iç direncin ve aynı zamanda tehlikenin kaynağı budur.
'Lityum iyon pillerle ilgili neden bu kadar çok korku var?' Sorusuna yığın değişimi ile ilgili cevabımı okuduysanız, muhtemelen bunun nereye gittiğini görebilirsiniz.
Anodun bu lityum kaplaması hoş ve pürüzsüz değildir ve eşittir - dendritlerde oluşur, anot üzerinde büyüyen lityum metalin küçük keskin dalları.
Aynı şekilde anodun metalik lityum kaplamasından kaynaklanan diğer arıza mekanizmalarında olduğu gibi (farklı nedenlerle olsa da), bu dendritler anot genişledikçe ve içine zorlarsanız ayırıcı membrana beklenmedik bir baskı uygulayabilir ve eğer şanssızsanız , bu zarın bir gün beklenmedik bir şekilde başarısız olmasına neden olur (veya hemen, bazen bir dendrit sadece bir delik açar ve katoda dokunur). Bu elbette hücre havalandırmasını yapar, yanıcı elektrolitini tutuşturur ve hafta sonunuzu (en iyi şekilde) mahveder.
Ama merak ediyor olabilirsiniz, " donma derecesinin altındaki sıcaklıklar neden anodun lityum metal kaplamasına neden oluyor?"
Ve talihsiz ve tatmin edici olmayan cevap aslında bilmediğimizdir. Nötron görüntülemeyi, işleyen lityum iyon hücrelerinin içine bakmak için kullanmalıyız ve bir dünyada bilimsel araştırmalar için mevcut olan yaklaşık ~ 30 (sanırım 31) dünya çapında aktif araştırma reaktörleri (nötron kaynağı olarak çalışan nükleer reaktörler) Tıbbi izotop üretimi için kullanılmaktansa, hepsi deneyler için 7/24 rezervasyon yaptırdı, bence bu sadece bir sabır meselesi. Sadece ekipman süresinin az olması nedeniyle lityum iyon pillerin nötron görüntülemesinde sadece birkaç örnek olmuştur.
Bunun özellikle bu soğuk sıcaklık problemi için en son kullanıldığı 2014 olduğuna inanıyorum ve işte makale .
Başlığa rağmen, hücre donma altındayken ara katlama yerine kaplamaya neden olan şeyi tam olarak çözemediler.
İlginç bir şekilde, bir lityum iyon hücresini donma altında, ancak sadece aşırı düşük akımlarda, 0.02C'nin altında (yani 50 saatlik bir şarj süresinden daha fazla) şarj etmek mümkündür. Ticari olarak, özellikle önemli sıcaklıklarda (hem parasal olarak hem de hücrelerin diğer bölgelerdeki performansı açısından) soğuk sıcaklıklarda şarj edilebilecek şekilde özel olarak tasarlanmış birkaç egzotik hücre de vardır.
Not: Bir lityum iyon pilin donma sıcaklıklarının altında boşaltılmasının tamamen güvenli olduğunu eklemeliyim . Çoğu hücre -20 ° C veya hatta daha soğuk deşarj sıcaklığı derecelerine sahiptir. Sadece 'donmuş' bir hücrenin şarj edilmesinden kaçınılmalıdır.