Mengapa mengisi baterai Li-Ion dalam suhu dingin akan membahayakan mereka?

Sesuai dengan apa yang saya temukan di beberapa sumber (buku petunjuk perangkat elektronik, berbagai forum, dll.) Saya seharusnya tidak mengisi baterai Li-Ion saya di suhu dingin karena ini akan membahayakan mereka. Namun sama sekali tidak jelas jenis kerusakan apa yang akan mereka terima dan mengapa mereka akan menerima kerugian sama sekali.

Apakah itu benar? Jika ya, dapatkah seseorang menjelaskan kepada saya sifat proses elektronik dan / atau kimia yang menyebabkan kerusakan saat mengisi baterai lithium-ion pada suhu dingin?

'Suhu dingin' sangat tidak jelas. Pertama, izinkan saya benar-benar menentukan beberapa angka sungguhan.

Jangan mengisi baterai lithium ion di bawah 32 ° F / 0 ° C. Dengan kata lain, jangan pernah mengisi baterai lithium ion yang di bawah titik beku.

Melakukan hal itu sekali saja akan mengakibatkan hilangnya kapasitas yang tiba-tiba, parah, dan permanen pada urutan beberapa lusin persen atau lebih, juga peningkatan yang serupa dan juga permanen pada resistansi internal. Kerusakan ini terjadi setelah hanya satu peristiwa 'pengisian dingin' yang terisolasi, dan sebanding dengan kecepatan pengisian sel.

Tetapi, yang lebih penting, sel lithium ion yang telah diisi dingin TIDAK aman dan harus didaur ulang dengan aman atau dibuang. Dengan tidak aman, maksud saya ini akan berfungsi dengan baik sampai meledak secara acak karena getaran mekanik, kejutan mekanis, atau hanya mencapai tingkat pengisian yang cukup tinggi.

Sekarang, untuk benar-benar menjawab pertanyaan Anda: mengapa ini?

Ini membutuhkan ringkasan cepat tentang cara kerja baterai lithium ion. Mereka memiliki anoda dan katoda dan elektrolit sama seperti baterai lainnya, tetapi ada twist: ion lithium benar-benar bergerak dari katoda ke anoda selama pengisian dan interkalasi ke dalamnya. Inti dari interkalasi adalah bahwa molekul atau ion (ion lithium dalam hal ini) dijejalkan di antara celah molekuler dari beberapa kisi material.

Selama pemakaian, ion litium meninggalkan anoda dan kembali ke katoda, dan juga masuk ke katoda. Jadi katoda dan anoda bertindak sebagai semacam 'spons' untuk ion lithium.

Ketika sebagian besar ion litium diselingi ke dalam katoda (artinya baterai dalam keadaan cukup kosong), bahan katoda akan mengembang sedikit karena regangan volumetrik (karena semua atom ekstra terjepit di antara kisi-kisi), tetapi umumnya sebagian besar ini adalah gaya interkalasi dikonversi menjadi tekanan internal (analog dengan kaca temper), sehingga regangan volumetriknya sedikit.

Selama pengisian, ion litium meninggalkan katoda dan berinterkalasi ke dalam anoda grafit. Graphite pada dasarnya adalah biskuit karbon, terbuat dari sekelompok lapisan graphene untuk membentuk struktur biskuit agregat. Struktur biskuit Amerika.

Ini sangat mengurangi kemampuan anoda grafit untuk mengubah gaya dari interkalasi menjadi tekanan internal, sehingga anoda mengalami regangan volumetrik yang jauh lebih banyak - sedemikian rupa sehingga benar-benar akan meningkatkan volume sebesar 10-20%. Ini harus (dan - kecuali dalam kasus baterai ponsel Samsung tertentu) diperbolehkan untuk ketika merancang sel lithium ion - jika anoda perlahan-lahan dapat melemah atau bahkan pada akhirnya menusuk membran internal yang memisahkan anoda dari katoda, menyebabkan mati pendek di dalam sel. Tetapi hanya sekali sekelompok joule telah didorong ke dalam sel (sehingga memperluas anoda).

Ok ok, tapi apa hubungannya dengan suhu dingin?

Ketika Anda mengisi sel ion litium dalam suhu di bawah titik beku, sebagian besar ion litium gagal masuk ke anoda grafit. Sebagai gantinya, mereka men-plat anoda dengan logam lithium, seperti menyepuh koin anoda dengan logam mulia katoda. Jadi pengisian akan melapisi anoda dengan lithium daripada, well, mengisi ulang itu. Beberapa ion akan terinterkalasi ke dalam anoda, dan beberapa atom dalam pelapisan logam akan terinterkalasi lebih dari 20 jam jika sel dibiarkan beristirahat, tetapi sebagian besar tidak. Itulah sumber pengurangan kapasitas, peningkatan resistensi internal, dan juga bahayanya.

Jika Anda sudah membaca jawaban terkait pada pertukaran tumpukan untuk pertanyaan 'Mengapa ada begitu banyak ketakutan di sekitar baterai lithium ion?', Anda mungkin dapat melihat ke mana arahnya.

Pelapisan lithium anoda ini tidak bagus dan halus dan merata - terbentuk dalam dendrit, sulur kecil logam lithium yang tumbuh di anoda.

Seperti mekanisme kegagalan lainnya yang juga disebabkan oleh pelapisan logam lithium anoda (meskipun karena alasan yang berbeda), dendrit ini dapat memberikan tekanan tak terduga pada membran pemisah saat anoda mengembang dan memaksa mereka ke dalamnya, dan jika Anda tidak beruntung , ini akan menyebabkan membran gagal secara tiba-tiba (atau juga segera, kadang-kadang dendrit hanya menusuk lubang di dalamnya dan menyentuh katoda). Ini tentu saja membuat ventilasi sel, menyalakan elektrolitnya yang mudah terbakar, dan merusak akhir pekan Anda (paling-paling).

Tetapi, Anda mungkin bertanya-tanya, " mengapa suhu di bawah titik beku menyebabkan pelapisan logam lithium pada anoda?"

Dan jawaban yang kurang menguntungkan dan tidak memuaskan adalah bahwa kita sebenarnya tidak tahu. Kita harus menggunakan pencitraan neutron untuk melihat ke dalam sel-sel lithium ion yang berfungsi, dan mengingat hanya ada sekitar ~ 30 (31 saya pikir?) Reaktor riset aktif di seluruh dunia (reaktor nuklir yang bertindak sebagai sumber neutron) yang sebenarnya tersedia untuk penelitian ilmiah di universitas daripada digunakan untuk produksi isotop medis, dan semuanya memesan 24/7 untuk percobaan, saya pikir itu hanya masalah kesabaran. Hanya ada beberapa contoh pencitraan neutron baterai lithium ion hanya karena kelangkaan waktu peralatan.

Terakhir kali ini digunakan khusus untuk masalah suhu dingin ini adalah 2014 saya percaya, dan inilah artikelnya .

Terlepas dari tajuk utama, mereka masih belum benar-benar memecahkan apa sebenarnya yang menyebabkan penyepuhan daripada interkalasi ketika sel di bawah titik beku.

Menariknya, sebenarnya mungkin untuk mengisi sel ion lithium di bawah titik beku, tetapi hanya pada arus yang sangat rendah, di bawah 0,02C (jadi lebih dari 50 jam waktu pengisian). Ada juga beberapa sel eksotis yang tersedia secara komersial yang dirancang khusus untuk dapat diisi ulang dalam suhu dingin, biasanya dengan biaya yang signifikan (baik secara moneter maupun dalam hal kinerja sel di daerah lain).

Catatan: Saya harus menambahkan bahwa pemakaian baterai lithium ion di bawah suhu beku sangat aman. Sebagian besar sel memiliki peringkat suhu debit -20 ° C atau bahkan lebih dingin. Hanya mengisi daya sel 'beku' yang harus dihindari.