Om vinteren er en af de største hovedpiner for ejere af nye energibiler den reducerede rækkevidde efter en fuld opladning; udendørs energilagringsenheder har svært ved overhovedet at garantere en grundlæggende strømforsyning.
Dette er ikke batteriets "ældning" eller et kvalitetsproblem, men snarere en "normal reaktion" af lithiumbatterier i miljøer med lav temperatur – lave temperaturer fører direkte til kapacitetsforringelse og ydeevnefald i lithiumbatterier.
For at forstå princippet bag batterinedbrydning, lad os først kort forstå et litiumbatteris funktionslogik.
Kernen i et lithiumbatteris evne til at levere strøm ligger i "transportprocessen af lithiumioner":
Under opladning "løber" lithiumioner (Li⁺) fra den positive elektrode til den negative elektrode, hvor de "opbevares" af den negative grafitelektrode. Under afladning "løber" disse lithiumioner tilbage fra den negative elektrode til den positive elektrode. På denne rundtur flyder elektroner, genererer strøm og driver enheden. Hele processen er som en gruppe flittige "bærere", der bevæger sig frem og tilbage for at overføre energi, hvor elektrolytten fungerer som deres "transportkanal" og elektroderne som deres "overføringsstationer".“
Under normale forhold (stuetemperatur 20-25 ℃) er disse "bærere" fulde af energi og bevæger sig jævnt, hvilket gør det muligt for batteriet at udsende energi stabilt. Men når temperaturen falder, især under 0 ℃, bliver "bærerne" træge eller endda "går i strejke", hvilket er den primære årsag til batterinedbrydning.
Kerneprincipper: Tre udfordringer ved litium-ion-batterier ved lave temperaturer
Udfordring 1: Elektrolyt-"frysning", blokering af transportkanaler
Elektrolytten er "transportkanalen" for lithiumioner, svarende til "blodkarrene" i et lithiumbatteri. Dens fluiditet bestemmer direkte lithiumionernes migrationshastighed. Elektrolyttens viskositet stiger kraftigt, når temperaturen falder - ligesom vand fortykker og fryser, når det er koldt. Ved lave temperaturer bliver elektrolytten viskøs og størkner endda delvist, hvilket reducerer ionledningshastigheden betydeligt og i nogle tilfælde "blokerer" kanalerne fuldstændigt.
Det er som en bred, glat vej, der pludselig bliver til en mudret sti; "transportørerne" (lithiumioner) har svært ved at bevæge sig, deres effektivitet reduceres kraftigt, og batteriets energiproduktion falder naturligt.
Udfordring 2: Litiumioner bliver dovne, ind- og udgang fra transferstationer bliver vanskelig
De positive og negative elektroder i et lithiumbatteri fungerer som "overføringsstationer" for lithiumioner. Under opladning skal lithiumioner indlejres i den negative elektrode, og under afladning skal de trækkes ud fra den negative elektrode. Denne proces kræver overvindelse af en vis "modstand", som almindeligvis omtales som "ladningsoverføringsimpedans". Ifølge Arrhenius-ligningen er den kemiske reaktionshastighed langsommere, jo lavere temperaturen er, og desto lavere er effektiviteten af lithium-ion-indsættelse og -udtrækning, hvilket resulterer i en betydelig stigning i ladningsoverføringsimpedansen. Kort sagt gør lave temperaturer lithiumioner "dovne"; selvom kanalerne ikke er fuldstændig blokerede, er de uvillige til at anstrenge sig for at komme ind i eller forlade "overføringsstationen", hvilket får nogle lithiumioner til at være ude af stand til at deltage i energioverførslen, hvilket reducerer batteriets kapacitet.
Udfordring 3: SEI-filmen "fortykkes", og "farlige dendritter" kan vokse.
Under den første opladning af et lithiumbatteri dannes en tynd, fast elektrolyt-interfasefilm (SEI) på overfladen af den negative elektrode. Den fungerer som et "beskyttende skjold", der forhindrer elektrolytten i at reagere med den negative elektrode, samtidig med at den tillader lithiumioner at passere gnidningsløst igennem, hvilket er afgørende for batteriets levetid. Lave temperaturer kan dog beskadige dette "beskyttende skjold": på den ene side reducerer lave temperaturer stabiliteten af SEI-filmen, hvilket får nogle komponenter til at gå i stykker og øger modstanden mod passage af lithiumioner; på den anden side kan den hastighed, hvormed lithiumioner indlejres i den negative elektrode, under lavtemperaturopladning ikke følge med aflejringshastigheden, og overskydende lithiumioner vil udfælde metallisk lithium på overfladen af den negative elektrode og danne "lithiumdendritter". Samtidig vil produkterne fra reaktionen mellem lithium og elektrolytten aflejres på SEI-filmen, hvilket gør filmen tykkere og yderligere hindrer transport af lithiumioner. Endnu farligere er det, at lithiumdendritter vil fortsætte med at vokse, og når de først gennemborer SEI-filmen og batteriseparatoren, vil det forårsage en direkte kortslutning mellem de positive og negative elektroder, hvilket fører til overophedning af batteriet, udbuling og endda forbrænding eller eksplosion. Dette er den primære årsag til sikkerhedsfarerne ved lavtemperaturopladning. Desuden er fortykkelsen af SEI-filmen irreversibel. Langvarig brug i miljøer med lav temperatur vil forkorte batteriets levetid betydeligt - et batteri, der oprindeligt kunne cykle 1000 gange, kan kun cykle omkring 500 gange ved langvarig brug ved lav temperatur og dermed gå ind i sin "ældningsperiode" for tidligt.“
Nøgleforskel: Nedbrydning ved lav temperatur – reversibel eller irreversibel?
Mange mennesker bekymrer sig om, at hurtig batteriafladning om vinteren kan beskadige batteriet permanent. Der er ingen grund til at gå i panik. Nedbrydning af litiumbatterier forårsaget af lav temperatur falder i to kategorier: reversibel nedbrydning og irreversibel nedbrydning, som er væsentligt forskellige.
Reversibel nedbrydning er den mest almindelige type, primært forårsaget af lave temperaturer, der øger elektrolyttens viskositet, bremser lithium-ionernes migration og øger ladningsoverførselsmodstanden. Denne type nedbrydning er som "dvale"; blot at flytte batteriet til stuetemperatur (20-25 ℃) og lade det stå i et stykke tid, giver elektrolytten mulighed for at genvinde sin flydeevne, lithium-ioner genvinder deres aktivitet, og batteriets kapacitet og ydeevne vender stort set tilbage til normale niveauer uden at påvirke batteriets levetid.
Irreversibel nedbrydning skyldes derimod hovedsageligt langvarig opladning og afladning ved lav temperatur, hvilket fører til overdreven fortykkelse af SEI-filmen, vækst af litiumdendriter eller irreversibel nedbrydning af elektrolytten. Denne type nedbrydning er permanent, ligesom at batteriet bliver "skadet". Selv efter at det er vendt tilbage til stuetemperatur, kan kapaciteten ikke genoprettes fuldt ud, og over tid accelererer det batteriets ældning.
