При какой температуре лучше работают литий-ионные аккумуляторы

Самыми распространенными источниками тока от смартфонов до электрифицированных средств передвижения являются литий-ионные аккумуляторы. Однако оптимальная  температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов ограничена от 5 до 45°C.

В статье рассмотрены причины температурных проблем литий-ионных аккумуляторов.

Электрохимические батареи в общем

Электрохимические батареи, впервые изобретенные Алессандро Вольтой в 1800, стали одной из необходимостей в жизни человека. Электрохимические батареи можно классифицировать на первичные и вторичные батареи.

Первичные батареи используются только один раз и не могут быть перезаряжены, что связано с необратимыми электрохимическими реакциями, происходящими в них.

Цинк–углеродные батареи являются одними из репрезентативных первичных батарей. Напротив, вторичные батареи, которые также называются аккумуляторы, являются электрохимическими, которые можно циклически повторно использовать путем разрядки и подзарядки.

Такая многоразовая функция возникает из обратимых электрохимических реакций, которые происходят в гальванических элементах батарейках. Хотя батарейки занимают большую часть коммерческого рынка, существуют проблемы, связанные с их использованием, включая образование большого количества нерастворимых материалов и токсичных компонентов, которые вызывают экологические проблемы.

Развитие вторичных батарей быстро растет, в том числе развитие никель–металлогидридные аккумуляторы, литий-ионные или их тип литий-железо-фосфатный аккумулятор, а также натриево-ионные аккумуляторы.

Среди этих источников тока литий-ионные аккумуляторы демонстрируют высокую плотность энергии и отличные рабочие характеристики, лидируют на современном рынке вторичных батарей и широко используются во многих различных областях.

Первый коммерческий литий-ионный аккумулятор, представленный корпорацией Sony в 1991 году, привел к революции на рынке аккумуляторов.

Общий тип этого источника энергии состоит из катода на основе соединения лития, анода на основе углерода, электролита и сепаратора. В общем случае катодные материалы покрываются алюминиевой фольгой, а анодные – медной фольгой. Токосъемниками служат алюминий и медь.Температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Кусок пористого полимерного сепаратора, погруженный в электролит и зажатый между анодом и катодом, предотвращает короткое замыкание двух электродов.

Ионы лития проходят через циклы интеркаляции (включение одной молекулы между другими) и деинтеркаляции и перемещаются через электролит в качестве носителей заряда во внутреннем контуре. С процессом интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития, окислительно-восстановительные реакции происходят на электродах, которые генерируют электроны, которые движутся через внешнюю цепь, образуя ток. Следующие уравнения показывают окислительно-восстановительные реакции, происходящие на катодах LiFePO4.

Миграция ионов лития во внутреннем контуре и электронов во внешнем контуре приводит к работе. Скорость работы, известная как скорость зарядки или разрядки определяется как зарядный или разрядный ток, деленный на емкость источника.

В связи с высокой плотностью энергии и плотностью мощности,  относительно высоковольтного потенциала и большой  производительностью литий-ионные аккумуляторы используются в качестве источников питания в различных  электронных продуктах: электросамокаты и велосипеды, электромобили, а также в военных и аэрокосмических приложениях.

Основной недостаток литий-ионных аккумуляторов

Однако литий ионные аккумуляторы все еще сталкиваются с барьерами, которые ограничивают пространство их применения. Одним из основных ограничений является температура эксплуатации литий ионных аккумуляторов в устройствах и оборудовании.

Как правило, предельная  температурная область для литий-ионных аккумуляторов составляет -20 °C ~ +60 °C.

Оптимальный температурный диапазон составляет от 5 до 45°C.

Как только температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов выйдет за пределы этих комфортных областей они  быстро деградируют с повышенным риском столкнуться с проблемами безопасности, включая пожар и взрыв.

В общем, температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов  делится на две категории проблем: низкотемпературные  и высокотемпературные проблемы.

Низкотемпературные проблемы в основном имеют место в высокоширотных странах, таких как Россия, Канада и Гренландия. В этих районах температура наружного воздуха зимой значительно ниже 0°C. Такие низкие температуры будут влиять на производительность и срок службы, особенно для тех, которые используются в чистых электромобилях (EVs), гибридных электромобилях (HEV) и подключаемых гибридных электромобилях (PHEV).

Может поэтому в России пока так мало электромобилей.

Еще одна экстремальная среда, которая ограничивает высокотехнологичное распространение такого типа батарей это внешняя среда космоса. Например, температура на Марсе  может быть  низкой, как -120 °C, что создает серьезную проблему для использования их в астро-аппаратах для исследования космоса. При этих низких рабочих температурах такой источник энергии будет проявлять медленную химическую реакционную активность и скорость переноса заряда, что приводит к снижению ионной проводимости в электролитах  и диффузии литий-ионов внутри электродов. Такое снижение приведет к снижению энергетической и силовой способности, и к снижению производительности.

По сравнению с низкотемпературными проблемами, которые в основном ограничиваются низкотемпературными средами применения, высокотемпературные проблемы происходят в гораздо более широком диапазоне сред применения, включая не только высокотемпературные, но и низкотемпературные среды.

Влияние температуры на литий-ионные аккумуляторы

Большинство температурных проблем связано с химическими реакциями, происходящими в батареях, а также с материалами, используемыми в батареях.

Что касается химических реакций, то зависимость между скоростью химических реакций и температурой реакции приводят к изменению скорости электрохимической реакции. Помимо химических реакций, ионная проводимость электродов и электролитов также зависит от температуры. Например, ионная проводимость электролитов на основе солей лития уменьшается при низких температурах.

Низкотемпературные эффекты

Производительность литий-ионных аккумуляторов будет ухудшаться при температурах ниже 0 °C. Так плотность мощности и энергии Panasonic 18650 LIBs составляет ~800 Вт/кг  с 25 °C  и  до < 10 Вт/кг при -40 °С.

Ухудшение производительности при низких температурах может быть объяснено несколькими различными источниками.

  • Во – первых, низкая температура влияет на свойства электролита. С понижением температуры вязкость электролита будет увеличиваться, что приведет к снижению ионной проводимости. Внутреннее сопротивление впоследствии будет расти за счет увеличения импеданса направленной миграции химических ионов.

Было также доказано, что специфические добавки электролита, такие как дифторфосфат лития (LiPO2F2), эффективны для улучшения характеристик  при низких температурах.

  •  Во – вторых  увеличение сопротивления переносу заряда также является важным фактором, способствующим ухудшению производительности при низких температурах. Сообщалось, что сопротивление переносу заряда катодов на основе LiFePO4 при температуре -20 °C в три раза выше, чем при комнатной температуре. Такое высокое сопротивление переносу заряда в значительной степени влияет на кинетику в батареях.

Сопротивление переноса заряда разряженной батареи обычно намного выше, чем у заряженной. Зарядка аккумулятора при низких температурах, таким образом, сложнее, чем  разрядка. Кроме того, деградация производительности при низких температурах также связана с медленной диффузией ионов лития внутри электродов. Такое замедление может быть противопоставляется изменению электродных материалов с низкой активационной энергией.

Высокотемпературные эффекты

Температура окружающей среды играет решающую роль в низкотемпературных эффектах, в то время как большую часть времени высокотемпературные эффекты объясняются высокой внутренней температурой потребителя энергии во время работы, а не температурой окружающей среды.

Высокая внутренняя температура обусловлена выделением тепла внутри батареи, которое происходит в сильноточном состоянии, включая операции с быстрой скоростью зарядки и быстрой скоростью разрядки. Высокие температурные эффекты также приведут к ухудшению производительности батарей, включая потерю емкости и мощности. Как правило, потеря лития и уменьшение активных материалов при высокой температуре приводит к потере емкости, в то время как увеличение внутреннего сопротивления отвечает за потерю мощности . Если температура выходит из контроля, тепловое разрастание может привести к самовозгоранию и даже взрыву в некоторых случаях.

Таким образом, правильная температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов  имеет решающее значение для производительности и безопасной эксплуатации. Точный контроль температуры эксплуатации является одним из важных процессов в правильном использовании литий-ионных аккумуляторов.

Эффекты при высоких температурах гораздо сложнее, чем при низких температурах. Во время работы литий-ионных аккумуляторов тепло генерируется внутри батарей, и понимание тепловыделения имеет решающее значение для минимизации высокотемпературных эффектов.

В целом тепловыделение при нормальной температуре связано с переносом заряда и химическими реакциями при зарядке и разрядке.

Тепловые проблемы

Тепловые проблемы существуют в литий-ионных аккумуляторах  из-за температурно-зависимой производительности. Оптимальный диапазон рабочих температур обычно ограничен  15-35 °C.

Как низкая температура, так и высокая температура вне этой области будут влиять на производительность и могут вызвать необратимые изменения. При низких температурах ухудшение характеристик, в основном, вызвано снижением ионной проводимости и увеличением сопротивления переносу заряда. Литиевое покрытие – это специфический эффект, который возникает на поверхности графитовых и других анодов на основе углерода, что приводит к потере емкости при низких температурах.

Высокие температурные условия ускоряют термическое старение и могут сократить срок службы. Тепловыделение внутри батарей является еще одним существенным фактором при высоких температурах.

При стимуляции повышенной температуры экзотермические реакции запускаются и генерируют больше тепла, что приводит к дальнейшему нагреванию источника тока.

Всестороннее исследование механизма тепловых эффектов и мониторинга температуры внутри перспективных литий-ионных аккумуляторов  может дать теоретические идеи и помочь создавать эффективные источники энергии.