باتری های لیتیومی به سرما حساس ترند یا گرما؟

برد خودروهای الکتریکی در زمستان به نصف کاهش می یابد و شارژ در تابستان نگرانی های ایمنی را افزایش می دهد. باتری ها در دماهای پایین شارژ نمی شوند و پس از قرار گرفتن در معرض دماهای بالا ظرفیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد-ماهیت "ظریف" باتری های لیتیومی، منبع اصلی انرژی برای وسایل نقلیه انرژی جدید، روبات ها و محصولات دیجیتال، به طور گسترده ای شناخته شده است. در واقع، دما یک متغیر کلیدی است که بر عملکرد باتری لیتیومی تأثیر می‌گذارد، که ارتباط نزدیکی با همه چیز از ظرفیت خروجی و عمر چرخه گرفته تا پایداری ایمنی و راندمان شارژ/دشارژ دارد. Battery Pioneer، به عنوان یک متخصص در زمینه باتری، از زبان ساده و داده های سخت برای شکستن تأثیر اساسی دما بر باتری های لیتیومی استفاده می کند و راهنمایی برای جلوگیری از مشکلات رایج در استفاده روزانه ارائه می دهد.

اول درک: "منطقه راحتی" برای باتری های لیتیومی فقط 20-30 درجه است.

باتری های لیتیومی مانند "گل های گلخانه ای" هستند که به شدت به دما حساس هستند. صنعت به طور کلی بر این باور است که محدوده دمای عملیاتی بهینه آنها 20 تا 30 درجه (یعنی دمای اتاق) است، که در آن باتری بهترین تعادل را بین ظرفیت، طول عمر و ایمنی به دست می آورد.

از منظر ظرفیت، باتری های لیتیومی به 100٪ ظرفیت قابل استفاده در 25 درجه می رسند که نشان دهنده اوج عملکرد است. با انحراف دما از این محدوده راحت، ظرفیت به طور قابل توجهی در نوسان است:

ACEY-BCT506-512Hتستر ظرفیت باتری 18650از دستگاه‌های نظارت و کنترل الکترونیکی مدرن به‌جای کار دستی برای نظارت بر-ولتاژ، جریان، ظرفیت، انرژی، وضعیت شکل‌گیری و سایر پارامترهای تشکیل باتری توزیع‌شده در زمان واقعی، تشخیص و رسیدگی به عیوب، ثبت و تجزیه و تحلیل داده‌های مربوطه استفاده می‌کند تا پردازش‌های بدون نظارت و دسته‌ای در فرآیند شکل‌گیری را متوجه شود.

زیر صفر درجه:ظرفیت قابل استفاده به 85٪ کاهش می یابد. در -10 درجه، تنها 70٪ باقی مانده است. در -30 درجه، از دست دادن ظرفیت بیش از نیمی است. و در -40 درجه، کمتر از 50 درصد دمای اتاق است.

بالای 45 درجه:در حالی که ممکن است زمان تخلیه را در کوتاه مدت افزایش دهد، در دراز مدت پیر شدن باتری را تسریع می کند. شارژ بالای 50 درجه به طور قابل توجهی خوردگی الکترولیت و پیری پوشش را تسریع می کند.

منطق اصلی پشت این موضوع این است که شارژ و دشارژ باتری‌های لیتیومی اساساً «مهاجرت» یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی است. دمای بیش از حد بالا یا پایین مانع از این "حرکت" می شود-دماهای پایین از "حرکت" موثر یون های لیتیوم جلوگیری می کنند، در حالی که دمای بالا باعث می شود آنها "به طور نامنظم کار کنند" و در نهایت منجر به عملکرد ضعیف باتری می شود.

II. تاثیر دمای پایین روی باتری ها

تاثیر دماهای پایین بر باتری‌های لیتیومی بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که تصور می‌کنیم: این فقط در مورد برد کوتاه‌تر نیست، بلکه می‌تواند باعث آسیب دائمی نیز شود.

1. سه مشکل اصلی در دماهای پایین

کاهش ظرفیت برگشت پذیر:در دماهای پایین، ویسکوزیته الکترولیت افزایش می‌یابد و رسانایی کاهش می‌یابد، بسیار شبیه به «رودخانه یخ‌زده». انتشار یون لیتیوم{1}}آهسته می شود و جاسازی موفقیت آمیز آنها در الکترودها را دشوار می کند و منجر به کاهش قابل توجه ظرفیت قابل استفاده می شود. با این حال، این کاهش ظرفیت برگشت پذیر است و با بازگشت به دمای اتاق قابل بازیابی است. به عنوان مثال، برد یک وسیله نقلیه الکتریکی ممکن است در زمستان کوتاهتر باشد، اما با گرم شدن دما در بهار، می تواند به حالت عادی بازگردد.

توان شارژ و دشارژ محدود:هر چه دما کمتر باشد، امپدانس داخلی (مقاومت) باتری بیشتر می شود. هنگامی که دما به زیر 10- درجه می رسد، امپدانس سطحی بین الکترودهای مثبت و منفی به سرعت افزایش می یابد. پس از 20- درجه، امپدانس الکترولیت نیز به شدت افزایش می یابد و باعث کاهش ظرفیت تخلیه باتری و ناتوانی در خروجی توان بالا می شود. این به صورت شتاب کند در وسایل نقلیه الکتریکی و حرکات کند در ربات ها ظاهر می شود.

آسیب دائمی ناشی از شارژ دمای پایین-:این نگران کننده ترین خطر است! هنگام شارژ در دماهای پایین (مخصوصاً زیر صفر درجه)، یون های لیتیوم نمی توانند به موقع در آند گرافیت جاسازی شوند و روی سطح الکترود رسوب می کنند و دندریت های لیتیومی فلزی را تشکیل می دهند. این کریستال‌های «شبیه درخت» یون‌های لیتیوم فعال را مصرف می‌کنند و باعث کاهش دائمی ظرفیت می‌شوند. خطرناک‌تر، دندریت‌های لیتیومی ممکن است جداکننده باتری را سوراخ کرده و باعث اتصال کوتاه و آتش‌سوزی شوند.

(رابطه بین ظرفیت باتری و هدایت الکترولیت در دماهای مختلف)

(سطوح امپدانس قطعات مختلف درون باتری در دماهای مختلف)

2. دستورالعمل‌های استفاده از دمای پایین-

• «گرم کنید-» قبل از شارژ: قبل از شارژ کردن در فضای باز در زمستان، وسایل نقلیه الکتریکی یا روبات‌ها را به مدت 30 دقیقه در داخل خانه پارک کنید تا قبل از شارژ شدن دمای باتری از 0 درجه بالاتر برود.
• از تخلیه{0}قدرت زیاد در دماهای پایین اجتناب کنید: در محیط‌های با دمای پایین{1}}از شتاب‌گیری سریع مکرر و عملکرد بار سنگین- برای کاهش بار باتری خودداری کنید.
• در دمای پایین به اجبار شارژ نکنید: اگر دستگاه "Cannot charge at low temperatures" را نمایش می دهد، شارژ را مجبور نکنید، در غیر این صورت ممکن است آسیب جبران ناپذیری ایجاد کند.

III. دمای بالا در باتری ها

در مقایسه با "ساییدگی و پارگی آهسته" دماهای پایین، دمای بالا باعث آسیب ناگهانی و شدیدتر به باتری‌های لیتیومی می‌شود-نه تنها طول عمر آنها را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، بلکه به طور بالقوه باعث بروز حوادث ایمنی می‌شود.

1. یک "واکنش زنجیره ای" 5 مرحله ای در دماهای بالا

باتری‌های لیتیومی، تحت دمای بالا، باعث ایجاد یک سری واکنش‌های خطرناک گرمازا می‌شوند، مانند یک اثر دومینو:

1. 90-120 درجه: فیلم SEI ("لباس محافظ" که از ورقه های لیتیوم محافظت می کند) روی سطح باتری تجزیه می شود و گرما آزاد می شود.
2. بالای 120 درجه: فیلم SEI از کار می افتد و لیتیوم تعبیه شده در الکترود منفی مستقیماً با الکترولیت واکنش می دهد و مقدار زیادی گرما آزاد می کند.
3. بالای 200 درجه: الکترولیت کاملاً تجزیه می شود و سرعت انتشار گرما به طور چشمگیری تسریع می یابد.

4. واکنش های بعدی: ماده فعال الکترود مثبت تجزیه شده و اکسیژن آزاد می کند که بیشتر با الکترولیت واکنش می دهد. به طور همزمان، لیتیوم و بایندر تعبیه شده نیز گرما را آزاد می کنند.

5. نتیجه نهایی: گرما را نمی توان به موقع دفع کرد و منجر به نشت باتری، دود و در موارد شدید، احتراق و انفجار می شود.

2. تاثیر مرگبار دماهای بالا بر عمر باتری

دمای بالا پیر شدن باتری را تسریع می‌کند: قرار گرفتن طولانی‌مدت در محیط‌های بالاتر از 40 درجه، عمر چرخه باتری را به‌شدت کوتاه می‌کند. مطالعات نشان می دهد که به ازای هر 10 درجه افزایش بالای 40 درجه، عمر چرخه به نصف کاهش می یابد.

آزمایشی توسط شرکت فرانسوی Saft مثال گویاتری را ارائه می‌کند: یک باتری استوانه‌ای 2Ah که 26 بار در 85 درجه چرخیده شده، 7.5% کاهش ظرفیت و 100% افزایش امپدانس را تجربه کرده است. در حالی که در 120 درجه برای 25 سیکل، افت ظرفیت به 22% خیره کننده رسید و امپدانس تا 1115% افزایش یافت! در دماهای بالا، فیلم SEI بیشتری روی سطح الکترود منفی تشکیل می‌شود که به طور مداوم یون‌های لیتیوم فعال را مصرف می‌کند.

به طور همزمان، بایندر الکترود مثبت مهاجرت می کند و از بین می رود و از شرکت مواد فعال در واکنش به درستی جلوگیری می کند و منجر به افت شدید عملکرد باتری می شود.

(منحنی چرخه باتری در دمای بالا)

(منحنی نشان دهنده افزایش امپدانس باتری در شرایط دمای بالا)

3. دستورالعمل‌های اجتناب از استفاده از دمای بالا{1}

• از نور مستقیم خورشید و محیط‌های با دمای{0}بالا پرهیز کنید: وسایل نقلیه الکتریکی یا تجهیزات باتری را زیر نور مستقیم خورشید پارک نکنید. از سرمایش مناسب در کارگاه‌های{2}}در دمای بالا و محیط‌های بیرونی که در معرض نور مستقیم خورشید هستند اطمینان حاصل کنید.
• کنترل دمای شارژ: در محیط های بالای 50 درجه شارژ نکنید. از استفاده همزمان از تجهیزات دیگر در حین شارژ خودداری کنید (مثلاً رانندگی در حین شارژ، یا کار با روبات در حین شارژ).
• طراحی اتلاف گرما را بهینه کنید: وسایل نقلیه انرژی جدید و ربات‌های صنعتی باید به سیستم‌های اتلاف حرارت کارآمد مجهز شوند تا از تجمع دمای بالا{0} در بسته باتری جلوگیری شود.

IV. "آسیب پنهان" تفاوت دما

علاوه بر دماهای بالا و پایین، تفاوت دما نیز یک "قاتل پنهان" است که به راحتی نادیده گرفته می شود، که عمدتا به دو وضعیت تقسیم می شود: اختلاف دمای داخلی باتری (یکنواختی دما) و اختلاف دمای بین{0} سلولی (سازگاری دما).

1. مشکلات واکنش زنجیره ای ناشی از اختلاف دما

اختلاف دمای داخلی: اغلب هنگام گرم کردن یا خنک کردن یک طرف رخ می دهد که منجر به ایجاد امپدانس داخلی، جریان و گرما در باتری ناهموار می شود و پیری موضعی را تسریع می کند.

اختلاف دمای بین سلولی: ناشی از چیدمان نامناسب ماژول باتری و طراحی مدیریت حرارتی نامناسب، که منجر به نرخ‌های تخریب متناقض در بین سلول‌های جداگانه در بسته باتری می‌شود. از آنجایی که بسته‌های باتری به صورت سری به هم متصل می‌شوند، «ضعیف‌ترین اثر پیوند» بسیار واضح است-کاهش عملکرد یک سلول می‌تواند عملکرد کل بسته باتری را کاهش دهد و در نهایت منجر به شکست آن شود. حتی خطرناک‌تر «چرخه معیوب» ایجاد شده توسط تفاوت دما است: سلول‌هایی با دمای بالاتر سریع‌تر پیر می‌شوند، گرمای بیشتری تولید می‌کنند، اختلاف دما را با سلول‌های دیگر بیشتر می‌کنند و در نهایت باعث ایجاد خطرات ایمنی می‌شوند.

2. تکنیک های کنترل تفاوت دما

طراحی مدیریت حرارتی را بهینه کنید: با چیدمان منطقی سیستم‌های خنک‌کننده-خنک کننده و هوا-، اختلاف دما را در بسته باتری کاهش دهید.

از شرایط عملیاتی شدید اجتناب کنید:-شارژ و تخلیه جریان زیاد، و عملکرد بار سنگین طولانی‌مدت-تفاوت دما را تشدید می‌کند و نیاز به کنترل معقول شدت عملکرد تجهیزات دارد.

بازرسی منظم: تجهیزات صنعتی و وسایل نقلیه انرژی جدید نیاز به بازرسی منظم دمای هر سلول در بسته باتری دارند تا به سرعت هر گونه ناهنجاری را شناسایی و برطرف کند.

V. خلاصه: اصول اصلی برای افزایش طول عمر باتری های لیتیومی

سازگاری باتری‌های لیتیومی با دما مانند نیاز بدن انسان به محیط است{0}}هم دماهای بسیار بالا و هم پایین برای عملکرد بهینه آنها مضر است. برای اطمینان از اینکه باتری هم قدرتمند و هم بادوام است، روی سه جنبه کلیدی تمرکز کنید:

1. به محدودیت های دما پایبند باشید: دمای شارژ را بین 0 درجه تا 45 درجه نگه دارید و دمای کار را بین -20 درجه تا 60 درجه تا حد امکان حفظ کنید، از انحراف طولانی مدت از منطقه راحتی جلوگیری کنید.

2. از شرایط عملیاتی خطرناک اجتناب کنید: در دماهای پایین به اجبار شارژ نکنید، بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا شارژ نکنید و برای مدت طولانی تحت بارهای با قدرت بالا و سنگین کار نکنید.

3. بر مدیریت حرارتی تأکید کنید: چه برای محصولات دیجیتال مصرف کننده یا تجهیزات صنعتی، طراحی خوب اتلاف گرما/عایق برای افزایش عمر باتری بسیار مهم است.

درباره ما

اسی هوشمندمتخصص در ارائه-راه‌حل‌های یک توقف برای خطوط مونتاژ نیمه خودکار/کاملاً{2} خودکار بسته‌های باتری لیتیومی مورد استفاده در ESS، UAV، E-دوچرخه، E-روروک مخصوص بچه‌ها، ابزارهای برقی، دو/سه چرخ، مجموعه‌ای از باتری‌ها، مجموعه‌ای از باتری‌ها، و غیره. دستگاه درجه بندی، دستگاه مرتب سازی باتری، دستگاه چسباندن کاغذ عایق، تستر CCD، دستگاه جوش دستی/خودکار نقطه ای، تستر BMS، دستگاه تست جامع باتری و سیستم تست بسته باتری و غیره.

اکنون تماس بگیرید