Почему емкость литий-ионного аккумулятора зависит от его температуры
Литий-ионные аккумуляторы имеют те же характеристики, что и другие типы электрохимических источников тока. Их характеристики очень чувствительны к колебаниям температуры. При низких температурах вязкость электролита увеличивается, а подвижность ионов уменьшается, что приводит к снижению емкости.
Предыдущие исследования (Tarascon, J.-M., & Armand, M. (2001). Проблемы, с которыми сталкиваются перезаряжаемые литиевые батареи. Nature, 414 (6861), 359-367) задокументировали потери емкости в размере 20-40% при температурах ниже 0 ° C для стандартных литий-ионных элементов. Снижение производительности особенно заметно в устройствах, подверженных сильному воздействию холода.
Экспериментальные данные замороженного литий-ионного аккумулятора
В этом эксперименте аккумулятор смартфона подвергался воздействию окружающего холода в течение нескольких часов, чтобы убедиться, что температура всех его компонентов снизилась и находится в равновесии с температурой окружающего воздуха.
Первоначальный поиск данных проводился, когда температура окружающей среды смартфона составляла -4 ° C. Кажется заряд аккумулятора составлял всего 3611 Вольт, что примерно соответствует состоянию заряда 10%.
После повторного прогрева в домашних условиях уровень заряда аккумулятора увеличился до 3,857 вольт, что примерно соответствует 37%. Этот процесс происходил в течение часа.
Такое явление широко известно для электрохимических источников, и его можно назвать “самовосстановлением”. Такое поведение можно объяснить зависящими от температуры изменениями электропроводности электролита, кинетикой реакции на границе раздела электрод–электролит и нелинейной динамикой диффузии ионов лития.
Состояние заряда аккумулятора (SoC) отслеживалось с помощью системы управления аккумулятором устройства (BMS). BMS содержит чувствительный температурный резистор, который гарантирует, что аккумулятор не будет заряжен сверх указанной допустимой температуры в соответствии с технологией литий-ионных аккумуляторов.
Вывод
Наблюдаемое самовосстановление заряда батареи с 10% до 37% при нагревании можно объяснить несколькими взаимосвязанными явлениями. При температуре -4 ° C высокая вязкость органического электролита резко снижает его ионную подвижность. Пониженная ионная проводимость ограничивает скорость миграции ионов лития из электролита к аноду и катоду, тем самым ухудшая электрохимические реакции, которые пользователь наблюдает в виде состояния заряда на индикаторе заряда смартфона.
По мере нагревания батареи вязкость электролита уменьшается, а ионная проводимость увеличивается. Например, на основе кинетики Аррениуса наблюдается приблизительное удвоение проводимости с 0,5 МКС/см до 1,2 МКС / см при переходе от -4 °C до 25 °C. Эта повышенная подвижность приводит к восстановлению скорости химических реакций, лежащих в основе разницы в электрическом потенциале.
Этот эксперимент согласуется с результатами предыдущих исследований, в которых сообщается, что производительность литий-ионного аккумулятора может быть значительно восстановлена при переходе от низких к окружающим температурам
Также примечательно, что общая емкость аккумулятора при полной зарядке в оптимальных условиях не увеличивается за счет такого восстановления. Вместо этого восстановление отражает более точную оценку существующей мощности, которая была временно замаскирована неоптимальными температурными условиями. Таким образом, хотя кажется, что батарея “самозаряжается” во время повторного прогрева, никакой дополнительной химической энергии не вырабатывается; скорее, напряжение батареи и внутреннее химическое равновесие восстанавливаются до уровней, которые более точно отражают ее запасенную энергию.
