"Nhiệt độ lạnh" rất mơ hồ. Đầu tiên, hãy để tôi thực sự chỉ định một số số thực, cứng.
Không sạc pin lithium ion dưới 32 ° F / 0 ° C. Nói cách khác, không bao giờ sạc pin lithium ion dưới mức đóng băng.
Làm như vậy dù chỉ một lần sẽ dẫn đến mất năng lực đột ngột, nghiêm trọng và vĩnh viễn theo thứ tự vài chục phần trăm trở lên, cũng như tăng sức đề kháng nội bộ tương tự và cũng vĩnh viễn. Thiệt hại này xảy ra chỉ sau một sự kiện 'sạc lạnh' bị cô lập và tỷ lệ thuận với tốc độ mà tế bào được sạc.
Nhưng, thậm chí quan trọng hơn, một tế bào ion lithium đã được sạc lạnh KHÔNG an toàn và phải được tái chế một cách an toàn hoặc loại bỏ. Bởi không an toàn, tôi có nghĩa là nó sẽ hoạt động tốt cho đến khi nó phát nổ ngẫu nhiên do rung cơ học, sốc cơ học hoặc chỉ đạt đến trạng thái tích điện đủ cao.
Bây giờ, để thực sự trả lời câu hỏi của bạn: tại sao lại thế này?
Điều này đòi hỏi một bản tóm tắt nhanh chóng về cách thức hoạt động của pin lithium ion. Chúng có cực dương và cực âm và chất điện phân giống như bất kỳ loại pin nào khác, nhưng có một điểm mấu chốt: các ion lithium thực sự di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc và xen kẽ vào nó. Điểm chính của sự xen kẽ là các phân tử hoặc ion (ion lithium trong trường hợp này) được nhồi nhét vào giữa các khoảng trống phân tử của mạng tinh thể của một số vật liệu.
Trong quá trình phóng điện, các ion lithium rời khỏi cực dương và trở về cực âm, và tương tự xen kẽ vào cực âm. Vì vậy, cả cực âm và cực dương đều hoạt động như một 'miếng bọt biển' cho các ion lithium.
Khi hầu hết các ion lithium được xen kẽ vào cực âm (có nghĩa là pin ở trạng thái khá phóng điện), vật liệu catốt sẽ giãn nở một chút do biến dạng thể tích (vì tất cả các nguyên tử phụ được đặt ở giữa mạng của nó), nhưng nói chung là hầu hết Trong đó, lực xen kẽ được chuyển thành ứng suất bên trong (tương tự như kính cường lực), do đó biến dạng thể tích là nhẹ.
Trong quá trình sạc, các ion lithium rời khỏi cực âm và xen kẽ vào cực dương than chì. Than chì về cơ bản là một bánh quy carbon, được tạo thành từ một loạt các lớp graphene để tạo thành một cấu trúc bánh quy tổng hợp. Cấu trúc bánh quy Mỹ.
Điều này làm giảm đáng kể khả năng của cực dương than chì để chuyển đổi lực từ sự xen kẽ thành ứng suất bên trong, do đó cực dương trải qua biến dạng thể tích nhiều hơn đáng kể - đến mức nó sẽ thực sự tăng thể tích 10-20%. Điều này phải (và là - ngoại trừ trong trường hợp pin điện thoại Samsung nhất định) được phép sử dụng khi thiết kế pin lithium ion - nếu không, cực dương có thể từ từ làm suy yếu hoặc thậm chí làm thủng màng bên trong ngăn cách cực dương khỏi cực âm, gây ra một cái chết ngắn bên trong tế bào. Nhưng chỉ một lần một loạt các joules đã được đưa vào trong tế bào (do đó mở rộng cực dương).
Ok ok, nhưng bất kỳ điều này có liên quan đến nhiệt độ lạnh?
Khi bạn sạc một tế bào ion lithium ở nhiệt độ dưới mức đóng băng, hầu hết các ion lithium không thể xen vào cực dương than chì. Thay vào đó, họ mạ cực dương bằng kim loại lithium, giống như mạ điện một đồng xu cực dương bằng kim loại quý catốt. Vì vậy, sạc sẽ mạ điện cực dương bằng lithium chứ không phải, sạc lại. Một số ion để xen kẽ vào cực dương, và một số nguyên tử trong lớp mạ kim loại sẽ xen kẽ sau hơn 20 giờ nếu tế bào được phép nghỉ, nhưng hầu hết sẽ không. Đó là nguồn giảm công suất, tăng sức đề kháng nội bộ, và cũng là mối nguy hiểm.
Nếu bạn đã đọc câu trả lời liên quan của tôi về trao đổi ngăn xếp cho câu hỏi 'Tại sao có quá nhiều nỗi sợ xung quanh pin lithium ion?', Bạn có thể thấy nơi này sẽ diễn ra.
Lớp mạ lithium của cực dương này không đẹp và mịn và thậm chí - nó hình thành trong các sợi nhánh, những đường gân nhỏ sắc nhọn của kim loại lithium phát triển trên cực dương.
Cũng như các cơ chế hỏng hóc khác tương tự là do mạ lithium kim loại của cực dương (mặc dù vì những lý do khác nhau), những sợi nhánh này có thể gây áp lực bất ngờ lên màng ngăn cách khi cực dương mở rộng và buộc chúng vào đó, và nếu bạn không may mắn , điều này sẽ khiến màng một ngày bị hỏng bất ngờ (hoặc cũng có thể ngay lập tức, đôi khi một dendrite chỉ chọc một lỗ trên đó và chạm vào cực âm). Điều này tất nhiên làm cho các tế bào thông hơi, đốt cháy chất điện phân dễ cháy của nó và làm hỏng cuối tuần của bạn (tốt nhất).
Nhưng, bạn có thể tự hỏi, " tại sao nhiệt độ dưới mức đóng băng lại gây ra hiện tượng mạ kim loại lithium của cực dương?"
Và câu trả lời đáng tiếc và không thỏa mãn là chúng ta không thực sự biết. Chúng ta phải sử dụng hình ảnh neutron để nhìn vào bên trong các tế bào ion lithium hoạt động và xem xét chỉ có khoảng ~ 30 (31 tôi nghĩ sao?) Các lò phản ứng nghiên cứu hoạt động trên toàn thế giới (lò phản ứng hạt nhân hoạt động như một nguồn neutron) thực sự có sẵn cho nghiên cứu khoa học tại trường đại học thay vì được sử dụng để sản xuất đồng vị y tế, và tất cả chúng được đặt 24/7 cho các thí nghiệm, tôi nghĩ đó chỉ là vấn đề của sự kiên nhẫn. Chỉ có một vài trường hợp hình ảnh neutron của pin lithium ion đơn giản là do sự khan hiếm thời gian của thiết bị.
Lần cuối cùng nó được sử dụng đặc biệt cho vấn đề nhiệt độ lạnh này là năm 2014 tôi tin, và đây là bài báo .
Mặc dù có tiêu đề, họ vẫn chưa thực sự giải quyết chính xác điều gì gây ra sự mạ thay vì xen kẽ khi tế bào ở dưới mức đóng băng.
Thật thú vị, thực sự có thể sạc một tế bào ion lithium dưới mức đóng băng, nhưng chỉ ở dòng điện cực thấp, dưới 0,02C (vì vậy thời gian sạc hơn 50 giờ). Ngoài ra còn có một số tế bào kỳ lạ có sẵn trên thị trường được thiết kế đặc biệt để có thể sạc ở nhiệt độ lạnh, thường với chi phí đáng kể (cả về mặt tiền tệ và hiệu suất của các tế bào ở các khu vực khác).
Lưu ý: Tôi nên thêm rằng việc xả pin lithium ion ở nhiệt độ dưới mức đóng băng là hoàn toàn an toàn. Hầu hết các tế bào có xếp hạng nhiệt độ xả là -20 ° C hoặc thậm chí lạnh hơn. Chỉ cần sạc pin 'đông lạnh'.