Dlaczego bateria litowa słabo działa zimą? Dogłębna-analiza wpływu zimnej pogody na wydajność baterii litowej.

Kiedy nadchodzi zima, wiele osób stwierdza, że ​​baterie ich telefonów rozładowują się dwa razy szybciej niż zwykle, zasięg pojazdów elektrycznych drastycznie spada, gdy włączone jest ogrzewanie, a zewnętrzne urządzenia do magazynowania energii stają się mniej wydajne. Nie dzieje się tak dlatego, że Twoje urządzenia są zepsute; rządzi tym wszystkim jasna zasada elektrochemiczna.

Co ciekawe, pierwszą reakcją wielu użytkowników jest „bateria jest stara”-ale niekoniecznie jest to prawdą. Zdecydowana większość utraty wydajności w niskich temperaturach ma charakter tymczasowy i odwracalny. Kiedy zrozumiesz zasadę, rozwiązanie w rzeczywistości nie jest skomplikowane.

W tym artykule systematycznie omówiono podstawowe mechanizmy, za pomocą których zimna pogoda wpływa na wydajność baterii litowych, przedstawiono dane ilościowe i porównania horyzontalne różnych układów chemicznych, a także przedstawiono praktyczne sugestie dla użytkowników i projektantów.

1. Wpływ zimnej pogody na baterie litowe: Co się stało?

Najpierw opisz zjawisko, następnie wyjaśnij przyczyny.

W środowiskach o niskiej-temperaturze najbardziej typowe skutki działania akumulatorów litowo-jonowych to: zmniejszona pojemność użytkowa, znacznie zwiększona rezystancja wewnętrzna oraz niższa wydajność ładowania i rozładowywania. W szczególności z punktu widzenia użytkownika objawia się to następującym gwałtownym spadkiem poziomu naładowania baterii (z 50% do 20%), nagłym wyłączaniem się urządzeń, ale po podłączeniu do zasilania, wyświetlają one energię, oraz niewystarczającym napięciem przy dużym-zużyciu energii.

W porównaniu z akumulatorami{{0}ołowiowo-kwasowymi, akumulatory litowo-jonowe mają względną przewagę w niskich temperaturach. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych-ołowiowych- występuje poważniejszy spadek wydajności w ekstremalnie niskich temperaturach, któremu często towarzyszy trwała utrata żywotności. Jednak „stosunkowo lepiej” nie oznacza „żadnych problemów” i nie można ignorować wyzwań, jakie stoją przed samymi akumulatorami litowymi w niskich temperaturach.

Podstawowe zmiany można podsumować w trzech punktach:

Podczas rozładowywania rzeczywista energia użytkowa maleje.

Podczas ładowania spada wydajność akumulatora w przyjmowaniu energii elektrycznej.

Podczas korzystania z wysokiego prądu napięcie spada szybciej, co ułatwia sprzętowi wywołanie wyłączenia zabezpieczającego.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​większość tych zmian jest odwracalna. Gdy temperatura wzrośnie, pojemność zwykle znacznie się odbudowuje,- pod warunkiem, że nie-ładujesz go na siłę w niskich temperaturach.

2. Dlaczego pojemność baterii litowej spada zimą? Wyjaśnienie naukowe.

Skutki niskiej temperatury przenikają cały łańcuch reakcji elektrochemicznych akumulatorów litowo-jonowych. Rozłóżmy to warstwa po warstwie:

① Jony litu „nie mogą się już poruszać” - wzrasta lepkość elektrolitu

Wewnątrz baterii litowej jony litu muszą przemieszczać się tam i z powrotem w ciekłym elektrolicie, aby przenosić energię z elektrody dodatniej do elektrody ujemnej (ładowanie) i odwrotnie (rozładowywanie). W niższych temperaturach elektrolit staje się gęstszy, co znacznie zmniejsza szybkość dyfuzji jonów litu. Można to porównać do pływania w syropie zamiast w wodzie – skuteczność jest oczywiście znacznie niższa.

Im wolniej jony docierają do powierzchni elektrody, tym bardziej „zablokowana” jest cała reakcja elektrochemiczna.

② Materiał elektrody „nie chce się poruszać”-kinetyka reakcji pogarsza się.

W niskich temperaturach kinetyka wprowadzania i ekstrakcji jonów-litu w materiałach katodowych (takich jak trójskładnikowy lit NMC lub fosforan litowo-żelazowy LFP) i materiałach anodowych (zwykle grafit) znacznie się spowalnia. Mówiąc najprościej, materiały elektrod są „powolne” w niskich temperaturach, zmniejszając liczbę jonów litu, które mogą brać udział w skutecznych reakcjach chemicznych, uwalniając w ten sposób mniej energii.

③ Opór wewnętrzny „szybuje” - nałożony potrójny opór

Niskie temperatury zwiększają jednocześnie trzy rodzaje oporu:

Przewodność elektrolitu maleje (pogarsza się jego przewodność).

Zwiększony opór przenoszenia ładunku międzyfazowego (utrudniający „wspinanie się” jonom litu na powierzchnię elektrody)

Impedancja warstwy SEI (warstwy styku stałego elektrolitu) wzrasta (w niskich temperaturach zdolność warstwy ochronnej elektrody ujemnej do przewodzenia jonów maleje).

Łączny efekt tych trzech rezystancji prowadzi do znacznego wzrostu rezystancji wewnętrznej akumulatora. Wyższa rezystancja wewnętrzna skutkuje niższym napięciem skutecznym podczas rozładowywania, powodując rozpraszanie strat energii w postaci ciepła, co jeszcze bardziej zmniejsza rzeczywistą energię użytkową.

④ Najbardziej niebezpieczna sytuacja – osadzanie się litu spowodowane-ładowaniem w niskiej temperaturze

To najbardziej niepokojący aspekt. Podczas ładowania w niskiej-temperaturze jony litu nie mogą zostać wprowadzone do anody grafitowej na czas i wytrącają się na powierzchni anody w postaci metalicznego litu, tworząc powłokę litową, która w ciężkich przypadkach może przekształcić się w dendryty litu.

Zagrożenia związane z dendrytami litu to: nieodwracalna utrata pojemności; dalszy wzrost oporu wewnętrznego; w najcięższych przypadkach dendryty mogą przebić separator, powodując zwarcia lub nawet niekontrolowaną utratę ciepła.

Dlatego ładowanie poniżej 0 stopni jest całkowicie i bez wyjątku zabronione.

3. Ile pojemności tracą baterie litowe zimą?

Wielkość utraty pojemności zależy od temperatury, prądu rozładowania, składu chemicznego akumulatora i stanu starzenia się akumulatora. Poniższe dane opierają się na raportach z testów NREL i badaniu zasięgu zimowego pojazdów elektrycznych przeprowadzonym przez AAA:

W przypadku pojazdów elektrycznych raport z testów zimowych AAA 2023 pokazuje, że w temperaturze -7 stopni średni zasięg jazdy (bez ogrzewania) zmniejsza się o około 12%, natomiast przy włączonym ogrzewaniu spadek wzrasta do około 41%. Oznacza to, że chociaż utrata pojemności akumulatora jest częściowo spowodowana samym akumulatorem, to dodatkowe obciążenia, takie jak ogrzewanie, odszranianie i ogrzewanie kabiny, są głównymi przyczynami znacznego zmniejszenia zasięgu jazdy w zimie.

Dwa ważne przypomnienia:

Procent naładowania baterii wyświetlany przez urządzenie jest często zawyżony w niskich temperaturach, a rzeczywista energia użytkowa jest niższa od wyświetlanej wartości. Dzieje się tak, ponieważ BMS (system zarządzania baterią) nie może dokładnie odzwierciedlić stanu niskiej-temperatury po skalibrowaniu w temperaturze pokojowej.

Utratę pojemności spowodowaną wyładowaniem w niskiej-temperaturze można zwykle odzyskać po wzroście temperatury; jednakże uszkodzenia spowodowane przez osadzanie się litu w wyniku-ładowania w niskiej temperaturze są trwałe.

4. Który typ baterii litowej sprawdza się lepiej w chłodne dni?

Kwestia ta jest właściwie dość kontrowersyjna w branży i nie ma prostego „co jest zdecydowanie lepsze”. Istnieje zbyt wiele zmiennych wpływających na działanie w niskich-temperaturach, a nazwy chemiczne to tylko jeden aspekt.

Trójskładnikowy lit NMC vs LFP fosforan litowo-żelazowy

Powszechny pogląd w branży dotyczący porównania tych dwóch produktów w niskich temperaturach jest następujący:

NMC (lit trójskładnikowy): W umiarkowanie niskich temperaturach (około -10 stopni) ma stosunkowo dobrą gęstość energii i utrzymanie pojemności, co jest jednym z powodów, dla których większość elektroniki użytkowej i wczesnych pojazdów elektrycznych wybrała NMC.

LFP (fosforan litowo-żelazowy): Ma lepszą trwałość cykliczną i bezpieczeństwo w temperaturze pokojowej, ale spadek wydajności standardowych preparatów może być bardziej znaczący w ekstremalnie niskich temperaturach (poniżej -20 stopni). Jednakże w ostatnich latach producenci tacy jak BYD i CATL dokonali wielu optymalizacji receptur pod kątem wydajności LFP w niskich temperaturach, a różnica się zmniejsza.

Warto zauważyć, że w ramach tego samego systemu chemicznego różnice w recepturach pomiędzy różnymi producentami mogą być znacznie większe niż różnice pomiędzy różnymi systemami chemicznymi. Przy zakupie przede wszystkim zwróć uwagę na opublikowaną przez producenta krzywą rozładowania w niskiej-temperaturze (współczynnik utrzymania pojemności rozładowania przy -20 stopniach) i minimalny limit temperatury ładowania, co jest cenniejsze niż samo patrzenie na „NMC lub LFP”.

Formuła zoptymalizowana w niskiej-temperaturze: prawdziwy wyróżnik

Niektórzy producenci akumulatorów skupiający się na zastosowaniach w niskich-temperaturach zastosują:

Elektrolity w rozpuszczalnikach organicznych o niskiej-lepkości (takie jak preparaty zawierające rozpuszczalniki eterowe).

Specjalne dodatki-tworzące warstwę SEI poprawiają właściwości interfejsu w niskich-temperaturach

Cieńsza powłoka elektrody skraca drogę dyfuzji litu-jonów.

Te ulepszenia receptury są szczególnie skuteczne w ekstremalnie niskich temperaturach (poniżej -30 stopni), ale często wiążą się z utratą części gęstości energii w temperaturze pokojowej.

Akumulatory z wbudowanym-grzaniem: najbardziej natychmiastowy efekt.

Niezależnie od składu chemicznego zestawy akumulatorów ze zintegrowanym podgrzewaniem wstępnym i dobrą izolacją termiczną działają znacznie lepiej niż gołe ogniwa w mroźnym środowisku. Jest to obecnie najbardziej decydujący czynnik różnicujący w zimowych parametrach pojazdów elektrycznych i zewnętrznych urządzeń magazynujących energię, co zostanie szczegółowo omówione w dalszej części części dotyczącej projektowania.

5. Jak poprawić wydajność baterii litowych zimą?

Poniższe zalecenia są wymienione w kolejności ważności dla kondycji baterii. Pierwsze dwie to podstawowe-zasady, a drugie służą optymalizacji wydajności:

Pierwsza zasada: nigdy nie ładuj poniżej 0 stopni

To nie jest sugestia, ale zasada. Ładowanie w niskiej-temperaturze jest bezpośrednią przyczyną osadzania się litu, a wynikające z tego uszkodzenia są nieodwracalne. Jeśli Twoje urządzenie rozładuje się w-temperaturze zewnętrznej, przywróć je do temperatury pokojowej na co najmniej 30 minut, zanim podłączysz je do ładowania.

Punkt drugi: rozgrzej przed użyciem, zachowaj ciepło po użyciu

Urządzenia obsługujące wstępne podgrzewanie (większość nowoczesnych pojazdów elektrycznych posiada tę funkcję): Podgrzanie akumulatora w pomieszczeniu lub za pośrednictwem aplikacji przed ruszeniem pozwala mu osiągnąć wyższą temperaturę przed użyciem, co może znacznie poprawić zdolność rozładowania i akceptację ładowania.

W przypadku urządzeń bez funkcji podgrzewania (telefony komórkowe, latarki, drony itp.): przed użyciem należy je rozgrzać w wewnętrznej kieszeni lub izolowanej torbie; efekt będzie natychmiast widoczny.

Artykuł 3: Kontrolowanie wyładowań wysokoprądowych-w ekstremalnie zimnych środowiskach

Wyładowania-o wysokim prądzie (takie jak gwałtowne przyspieszanie pojazdów elektrycznych lub start dronów) w niskich temperaturach powodują poważniejszy spadek napięcia z powodu rezystancji wewnętrznej, co skutkuje nie tylko niską wydajnością, ale także możliwością uruchomienia zabezpieczenia przed nadmiernym-rozładowaniem. Ostrożna jazda zimą poprawi wydajność akumulatora.

Artykuł 4: Właściwe przechowywanie

Baterie, które nie były używane przez dłuższy okres (ponad 2 tygodnie):

Temperatura przechowywania: 10 stopni – 25 stopni, w suchym miejscu i chroniona przed światłem.

Pozostały ładunek: Utrzymuj go w przedziale od 30% do 60% (aby uniknąć uszkodzenia zacisku dodatniego, pozostawiając go częściowo naładowanym, i aby uniknąć uszkodzenia zacisku ujemnego, pozostawiając go niedoładowanym).

Co 1-2 miesiące sprawdzaj stan baterii i uzupełniaj ją do powyższego zakresu.

Artykuł 5: Wskazówki dotyczące zarządzania zużyciem energii przez pojazdy elektryczne w zimie

Podstawowy dylemat związany z jazdą zimą polega na tym, że grzejnik zużywa za dużo prądu, a bez niego jest za zimno. Oto kilka kompromisów:

Priorytetowo używaj podgrzewanych siedzeń i kierownicy; Te zlokalizowane systemy grzewcze wymagają jedynie kilkuset watów, co jest znacznie bardziej wydajne niż ogrzewanie za pomocą klimatyzacji.

Rozgrzej karetkę po podłączeniu do prądu (ogrzewana przez zewnętrzne źródło zasilania, bez zużywania baterii).

Podczas parkowania staraj się wybierać parkingi osłonięte lub kryte, aby zmniejszyć utratę ciepła z akumulatora.

6. Jak projektujemy akumulatory litowe do zastosowań-w niskich temperaturach

Poniższa treść opiera się na praktycznym doświadczeniu projektowym naszego zespołu w zakresie projektów magazynowania energii kriogenicznej i elektrycznych pojazdów specjalnych i ma zastosowanie w profesjonalnych scenariuszach, które wymagają stabilnej pracy w temperaturach od -20 do -40 stopni.

System zarządzania temperaturą (TMS): rdzeń projektowania kriogenicznego

W przypadku akumulatorów zaprojektowanych do pracy w ekstremalnie niskich temperaturach zarządzanie temperaturą nie jest funkcją „opcjonalną”, ale „funkcją standardową”. Do naszych typowych rozwiązań należą:

Samoregulująca-folia grzewcza PTC: gęstość mocy około 150–300 W/m², zalety obejmują właściwości samoregulujące- zapewniające bezpieczeństwo i niezawodność oraz umiarkowany koszt; nadaje się do wymagań podgrzewania od -20 stopni do 0 stopni.

Zintegrowany system chłodzenia cieczą + ogrzewania cieczą: Ten sam obieg cieczy służy do ogrzewania zimą i chłodzenia latem. System charakteryzuje się wysokim stopniem integracji, ale koszt i waga są również większe; nadaje się do projektów-motoryzacyjnych z rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi wydajności w całym zakresie temperatur.

Materiały termoizolacyjne i kontrola mostków termicznych: Powłoka zewnętrzna jest wykonana z materiałów o niskiej przewodności cieplnej lub dodaje się warstwę izolacyjną (taką jak filc aerożelowy o przewodności cieplnej tak niskiej jak 0,015 W/(m·K)). W projekcie konstrukcyjnym unika się bezpośredniego prowadzenia części metalowych od wewnątrz i na zewnątrz, aby zapobiec efektowi mostka cieplnego, który powoduje miejscowe niskie temperatury.

Strategia ochrony przed niską temperaturą BMS: Najpierw twarda logika

System zarządzania akumulatorem (BMS) musi wykonywać następujące czynności w niskich temperaturach:

Ładowanie w niskiej-temperaturze zabronione: gdy temperatura ogniwa spadnie poniżej 5 stopni, polecenia ładowania są całkowicie zabronione (konfigurowalny próg zależy od specyfikacji ogniwa).

Ograniczone wyładowanie przy niskiej-temperaturze-prądu: gdy temperatura wynosi od -10 stopni do 5 stopni, maksymalny prąd rozładowania jest ograniczony do 30%–50% wartości znamionowej, aby uniknąć częstego wyzwalania zabezpieczenia przed spadkiem napięcia z powodu nadmiernej rezystancji wewnętrznej.

Monitorowanie temperatury-w czasie rzeczywistym: każdy pakiet jest wyposażony w co najmniej wiele czujników temperatury, aby zapewnić jednolite próbkowanie temperatury i zapobiec maskowaniu lokalnego przechłodzenia przez średnią wartość.

Wybór i weryfikacja komórek

Na początku projektu wymagamy od dostawców ogniw dostarczenia krzywych utrzymania pojemności dla rozładowania 0,2°C w temperaturze -20 stopni, a także raportu z testów dotyczących możliwości przyjmowania ładunku w temperaturze -10 stopni. Dostawcy, którzy mogą dostarczyć pełne dane z testów w niskich temperaturach, są na ogół bardziej wiarygodni pod względem receptury i spójności produkcyjnej.

W przypadku ekstremalnych scenariuszy poniżej -30 stopni (takich jak sprzęt do badań polarnych i drony-na dużych wysokościach) standardowy system-litowo-jonowy nie jest już wystarczający. Będziemy oceniać nowe ścieżki technologiczne, takie jak baterie litowo-metalowe czy baterie półprzewodnikowe, ale rozwiązania te wciąż znajdują się w przełomowej fazie produkcji masowej.

Współpraca na-systemie: baterie nie są odizolowanymi wyspami

Zarządzanie temperaturą zestawu akumulatorów musi być zaprojektowane w powiązaniu z całym systemem/układem pojazdu. Częstym błędem jest to, że zarządzanie temperaturą akumulatora jest dobrze zaprojektowane, ale akumulator jest poddawany pełnemu obciążeniu natychmiast po włączeniu systemu. Akumulator jest „przemywany” dużym prądem, zanim całkowicie się nagrzeje, co sprawia, że ​​zarządzanie temperaturą jest nieskuteczne.

Z naszego doświadczenia wynika, że ​​skonfigurowanie logiki „zwiększania-mocy podczas zimnego rozruchu” na poziomie oprogramowania sprzętowego systemu-automatycznego ograniczania początkowej mocy wyjściowej na podstawie temperatury ogniwa po-włączeniu i stopniowego uwalniania pełnej mocy wraz ze wzrostem temperatury-jest prawie niezauważalne dla użytkownika, ale ma bardzo znaczący wpływ na żywotność baterii.

7. Często zadawane pytania (FAQ)

P1: Czy baterie litowe można rozładowywać i używać w temperaturze poniżej zera stopni Celsjusza?

Tak, ale wydajność spadnie. Samo rozładowanie nie powoduje osadzania się litu, a jedynie zmniejsza pojemność użyteczną i osłabia moc wyjściową. Jednakże ładowanie jest absolutnie zabronione -nawet w temperaturze -1 stopnia, istnieje ryzyko osadzania się litu. Zasada oceny jest prosta: rozładowywanie jest dopuszczalne, ładowanie powinno poczekać, aż temperatura się unormuje.

P2: Dlaczego zimą zasięg mojego samochodu elektrycznego tak bardzo spada?

Zmniejszenie pojemności akumulatora to tylko część przyczyny, która zazwyczaj przyczynia się do utraty zasięgu w wysokości 10–20%. Większym winowajcą jest system ogrzewania – według testów AAA włączenie grzejnika może spowodować całkowitą utratę zasięgu o ponad 40%. Inne czynniki obejmują zwiększone opory toczenia spowodowane niższym ciśnieniem w oponach w niskich temperaturach i zmniejszoną wydajnością silnika w niskich temperaturach. Zaleca się priorytetowe traktowanie ogrzewania siedzeń zamiast centralnego ogrzewania pojazdu, ponieważ oszczędność energii jest znacząca.

P3: Jaka jest optymalna temperatura i poziom naładowania akumulatorów litowych w zimie?

Zalecana temperatura: 10 stopni – 25 stopni, w suchym i ciemnym otoczeniu. Zalecane ładowanie: 30%–60% . Nie przechowuj urządzenia przy pełnym naładowaniu (spowoduje to obciążenie zacisku dodatniego) ani przy niskim poziomie naładowania (może to spowodować-uszkodzenie spowodowane nadmiernym rozładowaniem). Sprawdzaj i ładuj do powyższego zakresu co 1–2 miesiące.

P4: Czy uszkodzenia spowodowane używaniem baterii w niskich temperaturach są trwałe?

To zależy od sytuacji. Utrata pojemności spowodowana zwykłym rozładowaniem w niskiej-temperaturze jest przeważnie tymczasowa i powraca wraz ze wzrostem temperatury. Odkładanie się litu spowodowane-ładowaniem w niskiej temperaturze jest trwałym uszkodzeniem, a w miarę gromadzenia się osadu akumulator ulega zniszczeniu, stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa. Dlatego odpowiedź na to pytanie zależy od tego, czy kiedykolwiek ładowałeś akumulator w niskich temperaturach.

P5: Mój telefon nagle wyłącza się w niskich temperaturach. Czy bateria jest uszkodzona?

Najprawdopodobniej nie jest uszkodzony. W niskich temperaturach napięcie baterii może wcześniej spaść do progu ochrony BMS (systemu zarządzania baterią) telefonu, nawet jeśli nadal może pozostać trochę energii. Po powrocie do cieplejszego otoczenia telefon zwykle włącza się automatycznie i wyświetla pozostały poziom naładowania baterii. Jest to normalne zjawisko elektrochemiczne, a nie awaria. Jeśli jednak zdarza się to często, nawet w temperaturze pokojowej, należy wziąć pod uwagę starzenie się akumulatora.

P6: Czy są jakieś baterie litowe zalecane do stosowania w ekstremalnie zimnych warunkach zewnętrznych?

minimalną temperaturę roboczą i współczynnik zatrzymywania wyładowań w niskiej-temperaturze w specyfikacjach produktu, zamiast po prostu patrzeć na markę lub nazwę chemiczną. Obecnie niektóre akumulatory dostępne na rynku są zoptymalizowane pod kątem scenariuszy-niskich temperatur i w specyfikacjach podaje się dane dotyczące współczynnika utrzymania pojemności przy -20 lub -30 stopniach (np. osiągnięciu ponad 80% pojemności znamionowej). Produkty te stanowią bardziej wiarygodną podstawę wyboru.

Streszczenie

Zimna pogoda powoduje, że akumulatory litowe „degradują się” w wyniku połączonego działania trzech mechanizmów fizykochemicznych: gęstnienia elektrolitu, spowolnienia kinetyki elektrod i zwiększonego oporu wewnętrznego. W większości przypadków to pogorszenie jest tymczasowe i odwracalne,-o ile nie ładujesz ich w niskich temperaturach.

Dla zwykłych użytkowników najważniejsze są dwie rzeczy: nie ładować poniżej 0 stopni i maksymalnie rozgrzać akumulator przed użyciem. W przypadku zastosowań profesjonalnych, które wymagają stabilnej pracy w ekstremalnie zimnym otoczeniu, jakość projektu systemu zarządzania temperaturą i strategia BMS chroniąca przed niską-temperaturą to prawdziwy przełom określający wydajność pakietu akumulatorów.

Wraz z rozwojem technologii elektrolitów zoptymalizowanych do niskich{{0}temperatur i stopniowym wprowadzaniem-baterii półprzewodnikowych nadal istnieje znaczne pole do poprawy wydajności baterii litowych w ekstremalnie zimnych środowiskach. Jednak do tego czasu zrozumienie zasad i prawidłowe ich stosowanie pozostaje najbardziej ekonomicznym i skutecznym rozwiązaniem.