Запас ходу електромобіля взимку зменшується вдвічі, а зарядка влітку викликає занепокоєння щодо безпеки; батареї не заряджаються за низьких температур, а ємність значно падає після впливу високих температур-«делікатна» природа літієвих батарей, основного джерела енергії для нових транспортних засобів, роботів і цифрових продуктів, широко відома. Насправді температура є ключовою змінною, яка впливає на продуктивність літієвої батареї, тісно пов’язана з усім, починаючи від вихідної ємності та життєвого циклу до безпечної стабільності та ефективності заряду/розряду. Battery Pioneer, як експерт у галузі акумуляторів, використовуватиме просту мову та жорсткі дані, щоб розбити фундаментальний вплив температури на літієві батареї та надати посібник, щоб уникнути поширених пасток у щоденному використанні.
I. Спочатку розуміння: «Зона комфорту» для літієвих батарей становить лише 20-30 градусів
Літієві батареї, як «тепличні квіти», надзвичайно чутливі до температури. Промисловість загалом вважає, що їх оптимальний діапазон робочих температур становить 20 градусів ~30 градусів (тобто кімнатна температура), при якому акумулятор досягає найкращого балансу між ємністю, терміном служби та безпекою.
З точки зору ємності, літієві батареї досягають 100% корисної ємності при температурі 25 градусів, що представляє максимальну продуктивність. Коли температура відхиляється від цього комфортного діапазону, потужність значно коливається:
ACEY-BCT506-512HТестер ємності акумулятора 18650використовує сучасні електронні пристрої моніторингу та керування замість ручної роботи для моніторингу-напруги, струму, ємності, енергії, стану формування та інших параметрів формування розподіленої батареї в режимі реального часу, діагностики та обробки несправностей, запису та аналізу відповідних даних, щоб реалізувати автоматичну та пакетну обробку в процесі формування, програмне забезпечення комп’ютерного керування для централізованого моніторингу та обслуговування обладнання.
Нижче 0 градусів:корисна ємність падає до 85%; при -10 градусах залишається лише 70%; при -30 градусах втрата ємності перевищує половину; а при -40 градусах це менше 50% кімнатної температури.
Вище 45 градусів:Хоча це може збільшити час розряду в короткостроковій перспективі, це прискорює старіння батареї в довгостроковій перспективі. Зарядка вище 50 градусів значно прискорює корозію електроліту та старіння корпусу.
Основна логіка цього полягає в тому, що зарядка та розрядка літієвих батарей є, по суті, «міграцією» іонів літію між позитивним і негативним електродами. Надто високі або низькі температури перешкоджають цьому «руху»-низькі температури перешкоджають ефективному «руху» іонів літію, тоді як високі температури спричиняють їх «нестабільну роботу», що зрештою призводить до низької продуктивності акумулятора.
II. Вплив низьких температур на акумулятори
Вплив низьких температур на літієві батареї є набагато складнішим, ніж ми собі уявляємо: справа не лише в меншій радіусі дії, але й може призвести до незворотних пошкоджень.
1. Три основні проблеми при низьких температурах
Реверсивне зменшення ємності:При низьких температурах в’язкість електроліту зростає, а провідність знижується, як у «замерзлій річці». Дифузія-іонів літію сповільнюється, що ускладнює їх успішне вбудовування в електроди, що призводить до значного зниження корисної ємності. Однак ця втрата ємності оборотна і може бути відновлена після повернення до кімнатної температури. Наприклад, взимку запас ходу електромобіля може бути меншим, але він може повернутися до нормального, коли температура навесні підвищиться.
Обмежена потужність заряджання та розряджання:Чим нижча температура, тим більший внутрішній імпеданс (опір) акумулятора. Коли температура падає нижче -10 градусів, міжфазний імпеданс між позитивним і негативним електродами швидко зростає. Після -20 градусів опір електроліту також різко зростає, що спричиняє зниження розрядної ємності батареї та нездатність видавати високу потужність. Це проявляється у повільному прискоренні електромобілів і повільних рухах роботів.
Постійна шкода від низько-температурного заряджання:Це найбільший ризик! Під час заряджання за низьких температур (особливо нижче 0 градусів) іони літію не можуть вчасно проникнути в графітовий анод і осідають на поверхні електрода, утворюючи дендрити металевого літію. Ці «дерево-подібні» кристали споживають активні іони літію, спричиняючи постійну втрату ємності. Що ще небезпечніше, літієві дендрити можуть пробити сепаратор батареї, спричинивши коротке замикання та пожежі.
(Зв'язок між ємністю батареї та провідністю електроліту при різних температурах)
(Рівні опору різних частин батареї за різних температур)
2. Правила використання-при низьких температурах
- «Прогрійте-перед заряджанням: перед заряджанням на відкритому повітрі взимку припаркуйте електромобілі або роботів у приміщенні на 30 хвилин, щоб попередньо розігріти, доки температура акумулятора не підніметься вище 0 градусів перед заряджанням;
- Уникайте високої-розрядки потужності за низьких температур: у середовищах із низькою-температурою уникайте частих різких прискорень і-навантажень, щоб зменшити навантаження на батарею;
- Не примусово заряджайте за низьких температур: якщо на дисплеї пристрою відображається повідомлення «Не вдається зарядити за низьких температур», не примусово заряджайте, інакше це може призвести до незворотної шкоди.
III. Високі температури в батареях
Порівняно з «повільним зношуванням» низьких температур, високі температури спричиняють більш раптові й серйозні пошкодження літієвих батарей-, не лише значно скорочуючи термін їх служби, але й потенційно спричиняючи нещасні випадки.
1. 5-етапна «ланцюгова реакція» при високих температурах
Літієві батареї під дією високих температур викликають серію небезпечних екзотермічних реакцій, подібних до ефекту доміно:
1. 90-120 ступінь: плівка SEI («захисний одяг», що захищає літієві листи) на поверхні батареї розкладається, виділяючи тепло;
2. Вище 120 градусів: плівка SEI руйнується, і літій, вбудований у негативний електрод, реагує безпосередньо з електролітом, виділяючи велику кількість тепла;
3. Вище 200 градусів: електроліт повністю розкладається, і швидкість виділення тепла різко прискорюється;
4. Подальші реакції: активний матеріал позитивного електрода розкладається та виділяє кисень, який далі реагує з електролітом. Одночасно вбудований літій і сполучна також виділяють тепло.
5. Кінцевий результат: Тепло не може бути розсіяне вчасно, що призводить до витоку батареї, появи диму, а у важких випадках – до займання та вибуху.
2. Фатальний вплив високих температур на термін служби батареї
Високі температури прискорюють старіння акумулятора: тривалий вплив навколишнього середовища вище 40 градусів різко скорочує термін служби акумулятора. Дослідження показують, що на кожні 10 градусів збільшення вище 40 градусів, термін служби циклу скорочується вдвічі.
Експеримент французької компанії Saft надає більш наочний приклад: циліндрична батарея ємністю 2 Ач, яку 26 разів перемикали під кутом 85 градусів, зазнала втрати ємності на 7,5 % і збільшення опору на 100 %; тоді як при 120 градусах протягом 25 циклів втрата ємності досягла приголомшливих 22%, а імпеданс зріс на 1115%! При високих температурах на поверхні негативного електрода утворюється більше плівки SEI, постійно споживаючи активні іони літію.
Одночасно сполучна частина позитивного електрода мігрує та втрачається, не даючи активним матеріалам брати належну участь у реакції, що призводить до стрімкого зниження продуктивності батареї.
(Крива циклу батареї під високою температурою)
(Крива, що показує збільшення опору батареї в умовах високої температури)
3. Рекомендації щодо уникнення-використання за високих температур
- Уникайте прямих сонячних променів і високих{0}}температур: не паркуйте електромобілі та акумуляторне обладнання під прямими сонячними променями. Забезпечте належне охолодження в майстернях із високою{2}}температурою та на відкритому повітрі під прямим сонячним промінням.
- Контролюйте температуру заряджання: не заряджайте при температурі вище 50 градусів. Уникайте одночасного використання іншого обладнання під час заряджання (наприклад, керування автомобілем під час заряджання або керування роботом під час заряджання).
- Оптимізуйте конструкцію розсіювання тепла. Нові транспортні засоби, що працюють на енергії, і промислові роботи мають бути обладнані ефективними системами розсіювання тепла, щоб запобігти локальному накопиченню високої-температури в акумуляторній батареї.
IV. «Прихована шкода» різниці температур
Окрім високих і низьких температур, різниця температур також є «прихованим вбивцею», яку легко не помітити, і в основному поділяється на дві ситуації: різниця температур внутрішньої батареї (однорідність температури) і різниця температур між-елементами (сталість температури).
1. Проблеми ланцюгової реакції, спричинені різницею температур
Внутрішня різниця температур: часто виникає під час нагрівання або охолодження однієї сторони, що призводить до нерівномірного внутрішнього опору, струму та виділення тепла в батареї, що прискорює локальне старіння.
Різниця температур між -елементами: спричинена неправильним розташуванням модуля батареї та конструкцією керування температурою, що призводить до непослідовних показників деградації окремих елементів у батареї. Оскільки акумуляторні батареї з’єднані послідовно, «ефект найслабшої ланки» є дуже вираженим-зниження продуктивності одного елемента може призвести до зниження продуктивності всього акумуляторного блоку, що зрештою призведе до його виходу з ладу. Ще більш небезпечним є «порочне коло», створене різницею температур: клітини з вищою температурою старіють швидше, виробляють більше тепла, ще більше збільшуючи різницю температур з іншими клітинами, що зрештою створює загрозу безпеці.
2. Методи контролю різниці температур
Оптимізуйте конструкцію управління температурою: зменшіть різницю температур всередині акумуляторної батареї шляхом раціонального розташування систем водяного-охолодження та-повітряного охолодження;
Уникайте екстремальних робочих умов: високий-струм заряджання та розряджання, а також тривале важке-навантаження посилюють різницю температур, що вимагає розумного контролю інтенсивності роботи обладнання;
Регулярна перевірка: промислове обладнання та транспортні засоби з новою енергією вимагають регулярної перевірки температури кожного елемента акумуляторної батареї для швидкого виявлення та усунення будь-яких відхилень.
V. Резюме: Основні принципи продовження терміну служби літієвих батарей
Пристосовуваність літієвих батарей до температури схожа на потребу людського організму в навколишньому середовищі-надмірно високі та низькі температури шкодять їх оптимальній роботі. Щоб забезпечити потужність і довговічність акумулятора, зосередьтеся на трьох ключових аспектах:
1. Дотримуйтеся температурних обмежень: підтримуйте температуру заряджання від 0 градусів до 45 градусів, а робочу температуру від -20 градусів до 60 градусів, наскільки це можливо, уникаючи тривалих відхилень від зони комфорту;
2. Уникайте небезпечних робочих умов: не примусово заряджайте при низьких температурах, не заряджайте відразу після впливу високих температур і не працюйте при високій потужності та великих навантаженнях протягом тривалого часу;
3. Зробіть наголос на управлінні температурою: як для споживчих цифрових продуктів, так і для промислового обладнання, хороше тепловідведення/ізоляція має вирішальне значення для продовження терміну служби батареї.
Про нас
Acey Intelligentспеціалізується на наданні універсальних рішень для напівавтоматичних/повністю-автоматичних ліній складання літієвих батарей, що використовуються в ESS, UAV, E-Bike, E-Scooter, електроінструментах, дво-/трьох колісних автомобілях тощо. Крім того, ми надаємо повний набір обладнання для складання акумуляторних блоків, наприклад Cell Grading Машина, машина для сортування акумуляторів, машина для наклеювання ізоляційного паперу, тестер ПЗС, апарат для ручного/автоматичного точкового зварювання, тестер BMS, комплексний тестер акумуляторів і система тестування акумуляторних блоків тощо.
