In de winter is een van de grootste problemen voor eigenaren van elektrische voertuigen het beperkte bereik na een volle lading; energieopslagsystemen voor buiten hebben zelfs moeite om een basisstroomvoorziening te garanderen.
Dit is geen "veroudering" van de batterij of een kwaliteitsprobleem, maar eerder een "normale reactie" van lithiumbatterijen in omgevingen met lage temperaturen. Lage temperaturen leiden namelijk direct tot capaciteitsverlies en prestatievermindering van lithiumbatterijen.
Om het principe van batterijdegradatie te begrijpen, moeten we eerst kort de werking van een lithiumbatterij bekijken.
De kern van het vermogen van een lithiumbatterij om stroom te leveren, ligt in het "transportproces van lithiumionen":
Tijdens het opladen "bewegen" lithiumionen (Li⁺) van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode, waar ze worden "opgeslagen" door de grafiet-negatieve elektrode. Tijdens het ontladen "bewegen" deze lithiumionen terug van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode. Tijdens deze heen- en terugreis stromen elektronen, waardoor stroom wordt opgewekt en het apparaat van energie wordt voorzien. Het hele proces is als een groep ijverige "dragers" die heen en weer pendelen om energie over te dragen, waarbij de elektrolyt fungeert als hun "transportkanaal" en de elektroden als hun "overslagstations".“
Onder normale omstandigheden (kamertemperatuur 20-25℃) zijn deze "dragers" vol energie en bewegen ze soepel, waardoor de batterij stabiel energie kan leveren. Zodra de temperatuur echter daalt, vooral onder 0℃, worden de "dragers" traag of "staakten ze zelfs", wat de belangrijkste oorzaak is van batterijdegradatie.
Kernprincipes: Drie uitdagingen voor lithium-ionbatterijen bij lage temperaturen
Uitdaging 1: Elektrolyten "bevriezen", waardoor transportkanalen geblokkeerd raken
De elektrolyt is het "transportkanaal" voor lithiumionen, vergelijkbaar met de "bloedvaten" van een lithiumbatterij. De vloeibaarheid ervan bepaalt direct de migratiesnelheid van lithiumionen. De viscositeit van de elektrolyt neemt sterk toe naarmate de temperatuur daalt – net zoals water dikker wordt en bevriest bij lage temperaturen. Bij lage temperaturen wordt de elektrolyt stroperig, kan zelfs gedeeltelijk stollen, waardoor de ionengeleidingssnelheid aanzienlijk afneemt en in sommige gevallen de kanalen volledig "blokkeert".
Dit is alsof een brede, gladde weg plotseling verandert in een modderig pad; de "transporteurs" (lithiumionen) hebben moeite om zich te verplaatsen, hun efficiëntie neemt sterk af en de energieopbrengst van de batterij daalt vanzelfsprekend.
Uitdaging 2: Lithiumionen worden traag, in- en uitrijden van overslagstations wordt moeilijk.
De positieve en negatieve elektroden van een lithiumbatterij fungeren als 'transferstations' voor lithiumionen. Tijdens het laden moeten lithiumionen zich in de negatieve elektrode nestelen, en tijdens het ontladen moeten ze er weer uit worden gehaald. Dit proces vereist het overwinnen van een bepaalde 'weerstand', die gewoonlijk 'ladingsoverdrachtsweerstand' wordt genoemd. Volgens de Arrheniusvergelijking geldt dat hoe lager de temperatuur, hoe trager de chemische reactiesnelheid en hoe lager de efficiëntie van de in- en uitstroom van lithiumionen, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de ladingsoverdrachtsweerstand. Simpel gezegd: lage temperaturen maken lithiumionen 'lui'; zelfs als de kanalen niet volledig geblokkeerd zijn, zijn ze niet bereid de moeite te nemen om het 'transferstation' binnen te gaan of te verlaten. Hierdoor kunnen sommige lithiumionen niet deelnemen aan de energieoverdracht, wat de batterijcapaciteit vermindert.
Uitdaging 3: De SEI-film wordt dikker en er kunnen gevaarlijke dendrieten groeien.
Tijdens de eerste lading van een lithiumbatterij vormt zich een dunne, vaste elektrolyt-interfase (SEI)-film op het oppervlak van de negatieve elektrode. Deze film fungeert als een "beschermend schild" dat voorkomt dat de elektrolyt reageert met de negatieve elektrode, terwijl lithiumionen er wel soepel doorheen kunnen, wat cruciaal is voor de levensduur van de batterij. Lage temperaturen kunnen dit "beschermende schild" echter beschadigen: enerzijds verminderen lage temperaturen de stabiliteit van de SEI-film, waardoor sommige componenten breken en de weerstand tegen de doorgang van lithiumionen toeneemt; anderzijds kan de snelheid waarmee lithiumionen zich in de negatieve elektrode nestelen tijdens het laden bij lage temperaturen de afzettingssnelheid niet bijhouden, waardoor overtollige lithiumionen metallisch lithium neerslaan op het oppervlak van de negatieve elektrode en "lithiumdendrieten" vormen. Tegelijkertijd zullen de reactieproducten tussen lithium en de elektrolyt zich afzetten op de SEI-film, waardoor deze dikker wordt en het transport van lithiumionen verder wordt belemmerd. Nog gevaarlijker is dat lithiumdendrieten blijven groeien en, zodra ze de SEI-film en de batterijscheider doorboren, een directe kortsluiting tussen de positieve en negatieve elektroden veroorzaken. Dit leidt tot oververhitting, bolling en zelfs verbranding of explosie van de batterij. Dit is de belangrijkste reden voor de veiligheidsrisico's van opladen bij lage temperaturen. Bovendien is de verdikking van de SEI-film onomkeerbaar. Langdurig gebruik in omgevingen met lage temperaturen verkort de levensduur van de batterij aanzienlijk: een batterij die oorspronkelijk 1000 keer kon worden opgeladen en ontladen, kan bij langdurig gebruik bij lage temperaturen nog maar ongeveer 500 keer worden opgeladen en komt dan voortijdig in de "verouderingsperiode" terecht.“
Belangrijk onderscheid: Afbraak bij lage temperaturen – Omkeerbaar of onomkeerbaar?
Veel mensen maken zich zorgen dat de snelle ontlading van de batterij in de winter de batterij permanent kan beschadigen. Er is geen reden tot overmatige paniek. Degradatie van lithiumbatterijen door lage temperaturen valt in twee categorieën: omkeerbare degradatie en onomkeerbare degradatie, die wezenlijk van elkaar verschillen.
Omkeerbare degradatie is het meest voorkomende type, voornamelijk veroorzaakt door lage temperaturen die de viscositeit van de elektrolyt verhogen, de migratie van lithiumionen vertragen en de ladingsweerstand verhogen. Dit type degradatie is vergelijkbaar met een "winterslaap"; door de batterij simpelweg naar kamertemperatuur (20-25℃) te brengen en deze een tijdje te laten staan, kan de elektrolyt zijn vloeibaarheid terugkrijgen, de lithiumionen hun activiteit hervatten en de capaciteit en prestaties van de batterij in wezen terugkeren naar normale niveaus, zonder de levensduur van de batterij te beïnvloeden.
Onomkeerbare degradatie wordt daarentegen voornamelijk veroorzaakt door langdurig laden en ontladen bij lage temperaturen, wat leidt tot overmatige verdikking van de SEI-film, de groei van lithiumdendrieten of onomkeerbare ontbinding van het elektrolyt. Dit type degradatie is permanent, alsof de batterij "beschadigd" is. Zelfs na terugkeer naar kamertemperatuur kan de capaciteit niet volledig worden hersteld en versnelt dit na verloop van tijd de veroudering van de batterij.
