Почему литиевая батарея плохо работает зимой? Углубленный-анализ влияния холодной погоды на производительность литиевых батарей.

С наступлением зимы многие люди обнаруживают, что аккумуляторы их телефонов разряжаются в два раза быстрее, чем обычно, запас хода электромобилей резко падает при включенном обогревателе, а уличные накопители энергии становятся менее эффективными. Это не потому, что ваши устройства сломаны; скорее, всем этим управляет ясный электрохимический принцип.

Интересно, что первая реакция многих пользователей — «батарея старая»,-но это не обязательно так. Подавляющее большинство потерь мощности при низких температурах являются временными и обратимыми. Как только вы поймете принцип, решение на самом деле не будет сложным.

В этой статье будут систематически рассмотрены основные механизмы, с помощью которых холодная погода влияет на производительность литиевых батарей, предоставлены количественные данные и горизонтальное сравнение различных химических систем, а также предложены практические предложения для пользователей и разработчиков.

1. Влияние холодной погоды на литиевые батареи: что произошло?

Сначала опишите явление, затем объясните причины.

В условиях низких-температур наиболее типичными эффектами литий-ионных-батарей являются: снижение полезной емкости, значительное увеличение внутреннего сопротивления и снижение эффективности зарядки и разрядки. В частности, с точки зрения пользователя это проявляется в следующем: процент заряда батареи быстро падает (с 50 % до 20 %), устройства внезапно выключаются, но показывают питание при подключении к сети, а также недостаточное напряжение при-высоком энергопотреблении.

По сравнению со свинцовыми-кислотными батареями, литий-ионные батареи имеют относительное преимущество при низких температурах.-Свинцово--кислотные батареи испытывают более серьезное ухудшение характеристик при сильном холоде, что часто сопровождается необратимой потерей срока службы. Однако «относительно лучше» не означает «нет проблем», и нельзя игнорировать проблемы, с которыми сами литиевые батареи сталкиваются при низких температурах.

Основные изменения можно свести к трем пунктам:

Во время разряда фактическая полезная энергия уменьшается.

Во время зарядки эффективность аккумулятора по приему электрической энергии снижается.

При использовании большого тока напряжение падает быстрее, что облегчает срабатывание защиты оборудования.

Хорошей новостью является то, что большинство этих изменений обратимы. При повышении температуры емкость обычно значительно восстанавливается-, если вы не заряжали его принудительно-при низких температурах .

2. Почему зимой емкость литиевого аккумулятора снижается? Научное объяснение.

Влияние низкой температуры пронизывает всю цепочку электрохимических реакций литий-ионных аккумуляторов. Разложим по слоям:

① Ионы лития «больше не могут двигаться» - вязкость электролита увеличивается

Внутри литиевой батареи ионам лития необходимо перемещаться взад и вперед в жидком электролите, чтобы переносить энергию от положительного электрода к отрицательному электроду (зарядка) или наоборот (разрядка). При более низких температурах электролит становится толще, что значительно снижает скорость диффузии ионов лития. Вы можете думать об этом как о плавании в сиропе вместо воды – эффективность, естественно, намного ниже.

Чем медленнее ионы достигают поверхности электрода, тем больше «застревает» вся электрохимическая реакция.

② Материал электрода «не хочет двигаться».-кинетика реакции ухудшается.

При низких температурах кинетика внедрения и извлечения ионов лития- в катодных материалах (таких как тройной литий NMC или фосфат лития-железа LFP) и анодных материалах (обычно графите) значительно замедляется. Проще говоря, материалы электродов «вялые» при низких температурах, что уменьшает количество ионов лития, которые могут участвовать в эффективных химических реакциях, и тем самым выделяет меньше энергии.

③ Внутреннее сопротивление «взлетает» - накладывается тройное сопротивление

Низкие температуры одновременно повышают три вида устойчивости:

Проводимость электролита снижается (ухудшается его проводимость).

Повышенное сопротивление межфазному переносу заряда (что затрудняет «подъём» ионов лития на поверхность электрода)

Импеданс пленки SEI (пленки, разделяющей твердый электролит) увеличивается (ионопроводящая способность защитного слоя отрицательного электрода снижается при низких температурах).

Совместное действие этих трех сопротивлений приводит к значительному увеличению внутреннего сопротивления батареи. Более высокое внутреннее сопротивление приводит к более низкому эффективному напряжению во время разряда, в результате чего потери энергии рассеиваются в виде тепла, что еще больше снижает фактическую используемую энергию.

④ Самая опасная ситуация – отложение лития, вызванное низкой-температурой зарядки.

Это самый тревожный аспект. Во время зарядки при низкой-температуре ионы лития не могут вовремя проникнуть в графитовый анод и осаждаются на поверхности анода в виде металлического лития, образуя литиевое покрытие, которое в тяжелых случаях может перерасти в литиевые дендриты.

Опасностями литиевых дендритов являются: необратимая потеря емкости; дальнейшее увеличение внутреннего сопротивления; в наиболее тяжелых случаях дендриты могут пробить сепаратор, что приведет к короткому замыканию или даже к выходу из строя.

Поэтому зарядка ниже 0 градусов категорически запрещена без исключения.

3. Насколько теряют емкость литиевые аккумуляторы зимой?

Величина потери емкости зависит от температуры, тока разряда, химического состава батареи и состояния ее старения. Следующие данные основаны на отчетах об испытаниях NREL и исследовании зимнего запаса хода электромобилей, проведенном AAA:

Для электромобилей отчет о зимних испытаниях AAA в 2023 году показывает, что при температуре -7 градусов средний запас хода (без обогрева) уменьшается примерно на 12%, а при включенном обогреве снижение возрастает примерно до 41%. Это указывает на то, что, хотя потеря емкости аккумулятора частично связана с самим аккумулятором, дополнительные нагрузки, такие как обогрев, оттаивание и обогрев салона, являются основными причинами значительного сокращения запаса хода зимой.

Два важных напоминания:

Процент заряда батареи, отображаемый устройством, часто завышен при низких температурах, а фактическая полезная энергия ниже отображаемого значения. Это связано с тем, что BMS (система управления аккумулятором) не может точно отражать состояние низкой-температуры после калибровки при комнатной температуре.

Потеря емкости, вызванная низкотемпературным-разрядом, обычно может быть восстановлена ​​после повышения температуры; однако повреждение, вызванное отложением лития в результате зарядки при низкой-температуре, является необратимым.

4. Какой тип литиевой батареи лучше работает в холодную погоду?

На самом деле этот вопрос довольно спорный в отрасли, и не существует простого решения «что определенно лучше». Слишком много переменных влияют на работу при низких-температурах, а названия химических веществ – это только один из аспектов.

Тройной литий NMC и литий-железофосфат LFP

В отрасли распространено мнение о сравнении этих двух показателей при низких температурах:

NMC (тройной литий): при умеренно низких температурах (около -10 градусов) он имеет относительно хорошую плотность энергии и сохранение емкости, что является одной из причин, по которой большинство бытовой электроники и первых электромобилей выбрали NMC.

LFP (фосфат лития-железа): он имеет больший срок службы и безопасность при комнатной температуре, но снижение производительности стандартных составов может быть более значительным при чрезвычайно низких температурах (ниже -20 градусов). Однако в последние годы такие производители, как BYD и CATL, провели множество оптимизаций рецептур для обеспечения низкотемпературных характеристик LFP, и разрыв сокращается.

Стоит отметить, что в рамках одной и той же химической системы различия в рецептурах разных производителей могут быть намного больше, чем различия между разными химическими системами. При покупке уделите первоочередное внимание опубликованной производителем кривой разряда при низких-температурах (коэффициент сохранения разрядной емкости при -20 градусах) и минимальному пределу температуры зарядки, что более ценно, чем просто просмотр «NMC или LFP».

Состав, оптимизированный для низких-температур: главное преимущество

Некоторые производители аккумуляторов, специализирующиеся на использовании при низких-температурах, применяют:

Электролиты на органических растворителях низкой-вязки (например, составы, содержащие эфирные растворители).

Специальные добавки SEI,-образующие пленку, улучшают низко-свойства интерфейса при низких температурах.

Более тонкое покрытие электрода сокращает путь диффузии ионов лития.

Эти улучшения рецептуры особенно эффективны в чрезвычайно холодных условиях (ниже -30 градусов), но часто приходится жертвовать некоторой плотностью энергии при комнатной температуре.

Аккумуляторные батареи со встроенным-обогревом: самый немедленный эффект.

Независимо от химического состава, аккумуляторные блоки со встроенным предварительным подогревом и хорошей теплоизоляционной структурой работают гораздо лучше, чем голые элементы, в холодных условиях. В настоящее время это наиболее решающий фактор в разнице в зимних характеристиках электромобилей и уличных накопителей энергии, который будет подробно обсуждаться в разделе «Проектирование» позже.

5. Как улучшить работу литиевых батарей зимой?

Следующие рекомендации перечислены в порядке важности для здоровья аккумулятора. Первые два — это практические-принципы, а последние — оптимизация производительности.

Первое правило: никогда не заряжайте при температуре ниже 0 градусов.

Это не предложение, а принцип. Низкая-зарядка является прямой причиной отложения лития, и возникающие в результате повреждения необратимы. Если в вашем устройстве разряжается заряд при низкой-температуре на открытом воздухе, верните его в комнатную температуру как минимум на 30 минут, прежде чем подключать его к зарядке.

Второй момент: разогрейте перед использованием, сохраните тепло после использования.

Устройства, поддерживающие предварительный нагрев (большинство современных электромобилей имеют эту функцию): предварительный нагрев аккумулятора в помещении или с помощью приложения перед выключением позволяет ему достичь более высокой температуры перед использованием, что может значительно улучшить разрядную емкость и удобство зарядки.

Для устройств без функции предварительного нагрева (мобильные телефоны, фонарики, дроны и т. д.): перед использованием прогрейте их во внутреннем кармане или утепленной сумке; эффект будет виден сразу.

Статья 3. Контроль сильноточного-разряда в условиях чрезвычайно низкой температуры.

Разряд высокого-тока (например, при быстром ускорении электромобилей или взлете дронов) при низких температурах приводит к более сильному падению напряжения из-за внутреннего сопротивления, что приводит не только к снижению эффективности, но и к потенциальному срабатыванию защиты от чрезмерного-разряда. Осторожное вождение зимой улучшит работу аккумулятора.

Статья 4: Надлежащее хранение

Батарейки, которые не использовались в течение длительного периода (более 2 недель):

Температура хранения: 10–25 градусов, в сухом и защищенном от света месте.

Оставшийся заряд: поддерживайте его на уровне от 30 % до 60 % (чтобы не повредить положительную клемму, оставив ее частично заряженной, и чтобы не повредить отрицательную клемму, оставив ее заряженной недостаточно).

Проверяйте состояние батареи каждые 1–2 месяца и пополняйте ее до указанного выше диапазона.

Статья 5. Советы по управлению энергопотреблением электромобилей зимой

Основная дилемма вождения зимой заключается в том, что обогреватель потребляет слишком много электроэнергии, но без него слишком холодно. Вот несколько компромиссов:

Отдавайте предпочтение подогреву сидений и рулевого колеса; этим локализованным системам отопления требуется всего несколько сотен ватт, что намного эффективнее, чем отопление с помощью кондиционера.

Предварительный нагрев каретки при подключении к сети (нагрев от внешнего источника питания, без расхода заряда батарей).

При парковке старайтесь выбирать закрытые или закрытые места для парковки, чтобы уменьшить потери тепла от аккумулятора.

6. Как мы разрабатываем литиевые аккумуляторы для использования в холодную- погоду

Следующий контент основан на практическом опыте нашей команды в разработке проектов криогенного хранения энергии и аккумуляторных батарей для специальных электромобилей и применим к профессиональным сценариям, требующим стабильной работы при температуре от -20 до -40 градусов.

Система управления температурным режимом (TMS): основа криогенного проектирования

Для аккумуляторных блоков, предназначенных для эксплуатации в экстремально холодных условиях, управление температурой является не «дополнительной», а «стандартной функцией». Наши типичные решения включают в себя:

Саморегулирующаяся нагревательная пленка PTC: плотность мощности примерно 150–300 Вт/м², преимущества включают саморегулирующиеся-характеристики безопасности и надежности, а также умеренную стоимость; подходит для требований предварительного нагрева от -20 градусов до 0 градусов.

Интегрированная система жидкостного охлаждения + жидкостного нагрева: один и тот же жидкостный контур используется для обогрева зимой и охлаждения летом. Система имеет высокую степень интеграции, но стоимость и вес также выше; подходит для автомобильных-проектов со строгими требованиями к производительности во всем диапазоне температур.

Теплоизоляционные материалы и контроль мостиков холода: Внешняя оболочка изготовлена ​​из материалов с низкой теплопроводностью или добавлен изоляционный слой (например, аэрогель с теплопроводностью всего 0,015 Вт/(м·К)). В конструкции конструкции металлические детали не проходят непосредственно внутри и снаружи, чтобы предотвратить эффект мостика холода, вызывающий локальные низкие температуры.

Стратегия защиты BMS от низких температур: прежде всего жесткая логика

Система управления батареями (BMS) при низких температурах должна выполнять следующие действия:

Зарядка при низкой-температуре запрещена: если температура элемента ниже 5 градусов, команды зарядки полностью запрещены (настраиваемый порог зависит от характеристик элемента).

Ограниченный ток-тока-разряда при низкой температуре: при температуре от -10 до 5 градусов максимальный ток разряда ограничивается 30–50 % от номинального значения, чтобы избежать частого срабатывания защиты от падения напряжения из-за чрезмерного внутреннего сопротивления.

Мониторинг температуры-в режиме реального времени: каждая упаковка оснащена как минимум несколькими датчиками температуры, чтобы обеспечить равномерное измерение температуры и предотвратить маскирование локального переохлаждения средним значением.

Выбор и проверка ячейки

На раннем этапе проекта мы требуем, чтобы поставщики элементов предоставили кривые сохранения емкости для разряда 0,2C при -20 градусах, а также отчет об испытаниях на способность принимать заряд при -10 градусах. Поставщики, которые могут предоставить полные данные испытаний при низких температурах, как правило, более надежны с точки зрения рецептуры и стабильности производства.

Для экстремальных сценариев ниже -30 градусов (например, для полярного исследовательского оборудования и высотных-беспилотных летательных аппаратов) стандартной литий--ионной системы уже недостаточно. Мы будем оценивать новые технологические направления, такие как литий-металлические батареи или твердотельные батареи, но эти решения все еще находятся на стадии прорыва в массовом производстве.

Совместная работа на-уровне системы: батареи – это не изолированные острова.

Управление температурой аккумуляторной батареи должно разрабатываться совместно с системой в целом/системой автомобиля. Распространенной ошибкой является то, что терморегулирование батареи спроектировано хорошо, но батарея сразу же подвергается полной нагрузке после включения системы. Аккумулятор подвергается сильному току до того, как он полностью нагреется, что делает управление температурным режимом неэффективным.

Наш опыт показывает, что настройка логики "нарастания мощности при холодном запуске-на уровне встроенного ПО системы-автоматического ограничения начальной выходной мощности в зависимости от температуры элемента после включения питания-и постепенного высвобождения полной мощности при повышении температуры-почти незаметна для пользователя, но оказывает очень существенное влияние на срок службы батареи.

7. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Можно ли разряжать литиевые батареи и использовать их при температуре ниже нуля градусов по Цельсию?

Да, но производительность снизится. Разрядка сама по себе не вызывает отложения лития, а только снижает полезную емкость и снижает выходную мощность. Однако зарядка категорически запрещена -даже при температуре -1 градус, существует риск отложения лития. Принцип решения прост: разрядка допустима, зарядка должна дождаться восстановления температуры.

В2: Почему зимой запас хода моего электромобиля так сильно падает?

Снижение емкости аккумулятора является лишь одной из причин, обычно внося 10–20 % в потерю дальности действия. Большим виновником является система обогрева: согласно тестам AAA, включение обогревателя может привести к общей потере дальности действия более чем на 40%. Другие факторы включают повышенное сопротивление качению из-за более низкого давления в шинах при низких температурах и снижение эффективности двигателя при низких температурах. Рекомендуется отдать предпочтение подогреву сидений, а не системе центрального отопления автомобиля, поскольку экономия энергии будет значительной.

В3: Какова оптимальная температура и уровень заряда для хранения литиевых батарей зимой?

Рекомендуемая температура: 10–25 градусов, в сухом, темном месте. Рекомендуемая плата: 30–60%. Не храните полностью заряженным (это создает нагрузку на положительную клемму) и не храните при низком заряде (это может привести к повреждению от чрезмерного-разряда). Проверяйте и подзаряжайте аккумулятор до указанного выше диапазона каждые 1–2 месяца.

В4: Является ли ущерб, вызванный использованием батарей при низких температурах, постоянным?

Это зависит от ситуации. Потеря мощности из-за простого низкотемпературного-разряда в основном носит временный характер и восстанавливается по мере повышения температуры. Отложения лития, вызванные зарядкой при низкой-температуре, являются необратимыми повреждениями. По мере накопления отложений аккумулятор ухудшается, создавая угрозу безопасности. Поэтому ответ на этот вопрос зависит от того, заряжали ли вы когда-нибудь аккумулятор при низких температурах.

Вопрос 5: Мой телефон внезапно выключается при низких температурах. Батарея неисправна?

Скорее всего, он не сломан. При низких температурах напряжение аккумулятора может упасть до порога защиты BMS (системы управления аккумулятором) телефона раньше, хотя некоторый заряд все еще может оставаться. Вернувшись в более теплую среду, телефон обычно включается автоматически и отображает оставшийся уровень заряда батареи. Это нормальное электрохимическое явление, а не неисправность. Однако если это происходит часто даже при комнатной температуре, следует учитывать старение батареи.

Вопрос 6: Существуют ли литиевые батареи, рекомендуемые для использования в очень холодных условиях на открытом воздухе?

минимальная рабочая температура и уровень сохранения разряда при низких-температурах указаны в спецификациях продукта, а не просто обращают внимание на торговую марку или название химического вещества. В настоящее время некоторые аккумуляторные блоки, представленные на рынке, оптимизированы для работы в условиях низких-температур и в спецификациях указываются данные о степени сохранения емкости при -20 или -30 градусах (например, при достижении более 80 % номинальной емкости). Эти продукты обеспечивают более надежную основу для выбора.

Краткое содержание

Холодная погода приводит к «ухудшению» литиевых батарей в результате совокупного воздействия трех физико-химических механизмов: сгущения электролита, замедления кинетики электродов и увеличения внутреннего сопротивления. В большинстве случаев это ухудшение является временным и обратимым,-если вы не заряжаете их при низких температурах.

Для обычных пользователей две самые важные вещи: не заряжайте при температуре ниже 0 градусов и максимально разогревайте аккумулятор перед использованием. Для профессиональных приложений, требующих стабильной работы в экстремально холодных условиях, качество конструкции системы управления температурным режимом и стратегия защиты от низких-низких температур BMS являются настоящим водоразделом, определяющим производительность аккумуляторной батареи.

С развитием технологии электролитов, оптимизированных для низких-температур, и постепенным внедрением твердотельных-батарей все еще остаются значительные возможности для улучшения характеристик литиевых батарей в экстремально холодных условиях. Однако до тех пор понимание принципов и правильное их использование остается наиболее экономичным и эффективным решением.