Чому ємність літій-іонного акумулятора залежить від його температури
Літій-іонні акумулятори мають ті ж характеристики, що й інші типи електрохімічних джерел струму. Їх характеристики дуже чутливі до коливань температури. При низьких температурах в’язкість електроліту збільшується, а рухливість іонів зменшується, що призводить до зниження ємності.
Попередні дослідження (Tarascon, J.-M., & Armand, M. (2001). Проблеми, з якими стикаються перезаряджаються літієві батареї. Nature, 414 (6861), 359-367) задокументували втрати ємності в розмірі 20-40% при температурах нижче 0 ° C для стандартних літій-іонних елементів. Зниження продуктивності особливо помітно в пристроях, що зазнають сильного впливу холоду.
Експериментальні дані замороженого Літій-іонного акумулятора
У цьому експерименті акумулятор смартфона піддавався впливу навколишнього холоду протягом декількох годин, щоб переконатися, що температура всіх його компонентів знизилася і знаходиться в рівновазі з температурою навколишнього повітря.
Початковий пошук даних проводився, коли температура навколишнього середовища смартфону становила -4 ° C. Здається заряд акумулятора становив всього 3611 Вольт, що приблизно відповідає стану заряду 10%.
Після повторного прогріву в домашніх умовах рівень заряду акумулятора збільшився до 3,857 вольт, що приблизно відповідає 37%. Цей процес відбувався протягом години.
Таке явище широко відомо для електрохімічних джерел, і його можна назвати “самовідновленням”. Таку поведінку можна пояснити залежними від температури змінами електропровідності електроліту, кінетикою реакції на межі розділу електрод–електроліт і нелінійною динамікою дифузії іонів літію.
Стан заряду акумулятора (SoC) відстежувалася за допомогою системи управління акумулятором пристрою (BMS). BMS містить чутливий температурний резистор, який гарантує, що акумулятор не буде заряджений понад зазначеної допустимої температури у відповідності з технологією літій-іонних акумуляторів.
Висновок
Спостережуване самовідновлення заряду акумулятора з 10% до 37% при нагріванні можна пояснити кількома взаємопов’язаними явищами. При температурі -4 ° C висока в’язкість органічного електроліту різко знижує його іонну рухливість. Знижена іонна провідність обмежує швидкість міграції іонів літію з електроліту до анода і катода, тим самим погіршуючи електрохімічні реакції, які користувач спостерігає у вигляді стану заряду на індикаторі заряду смартфона.
По мірі нагрівання акумулятора в’язкість електроліту зменшується, а іонна провідність збільшується. Наприклад, на основі кінетики Арреніуса спостерігається приблизне подвоєння провідності з 0,5 МКС/см до 1,2 МКС/см при переході від -4 °C до 25 °C. Ця підвищена рухливість призводить до відновлення швидкості хімічних реакцій, які лежать в основі різниці в електричному потенціалі.
Цей експеримент узгоджується з результатами попередніх досліджень, в яких повідомляється, що продуктивність літій-іонного акумулятора може бути значно відновлена при переході від низьких до оточуючих температур
Також примітно, що загальна ємність акумулятора при повній зарядці в оптимальних умовах не збільшується за рахунок такого відновлення. Замість цього відновлення відображає більш точну оцінку існуючої потужності, яка була тимчасово замаскована неоптимальними температурними умовами. Таким чином, хоча здається, що батарея “самозаряєжаєтся” під час повторного прогріву, ніякої додаткової хімічної енергії не виробляється; швидше, напруга батареї і внутрішня хімічна рівновага відновлюються до рівнів, які більш точно відображають її запасену енергію.
