Защо вашата литиева батерия работи лошо през зимата? Задълбочен-анализ на въздействието на студеното време върху производителността на литиевата батерия.

Когато настъпи зимата, много хора установяват, че батериите на телефоните им се изтощават два пъти по-бързо от обикновено, обхватът на техните електрически превозни средства намалява драстично, когато нагревателят е включен, а устройствата за съхранение на енергия на открито стават по-малко ефективни. Това не е защото вашите устройства са повредени; по-скоро ясен електрохимичен принцип управлява всичко това.

Интересното е, че първата реакция на много потребители е „батерията е стара“-но това не е непременно вярно. По-голямата част от загубата на капацитет при ниски температури е временна и обратима. След като разберете принципа, решението всъщност не е сложно.

Тази статия систематично ще разбие основните механизми, чрез които студеното време влияе върху работата на литиевите батерии, ще предостави количествени данни и хоризонтални сравнения на различни химически системи и ще предложи практически предложения за потребители и дизайнери.

1. Въздействието на студеното време върху литиевите батерии: Какво се случи?

Първо опишете явлението, след това обяснете причините.

В среда с ниска{0}}температура най-типичните ефекти на литиево-йонните батерии са: намален използваем капацитет, значително увеличено вътрешно съпротивление и по-ниска ефективност при зареждане и разреждане. По-конкретно, от гледна точка на потребителя, това се проявява като: процентът на батерията пада бързо (от 50% на 20%), устройствата внезапно се изключват, но показват захранване, когато са включени, и недостатъчно напрежение при висока-употреба на енергия.

В сравнение с оловно-киселинните батерии, литиево-йонните батерии наистина имат относително предимство при ниски температури-оловно-киселинните батерии изпитват по-сериозно влошаване на производителността при силен студ, често придружено от трайна загуба на живот. „Сравнително по-добре“ обаче не означава „няма проблеми“ и предизвикателствата, пред които са изправени самите литиеви батерии при ниски температури, не могат да бъдат пренебрегнати.

Основните промени могат да бъдат обобщени в три точки:

По време на разреждане действителната използваема енергия намалява.

По време на зареждане ефективността на батерията при приемане на електрическа енергия намалява.

Когато се използва силен ток, напрежението пада по-бързо, което улеснява оборудването да задейства защитното изключване.

Добрата новина е, че повечето от тези промени са обратими. След като температурата се повиши, капацитетът обикновено се възстановява значително- при условие, че не сте го зареждали принудително-при ниски температури.

2. Защо капацитетът на литиевата батерия намалява през зимата? Научно обяснение.

Ефектите от ниската температура проникват в цялата електрохимична реакционна верига на литиево-йонните батерии. Нека го разделим слой по слой:

① Литиевите йони „не могат да се движат повече“ - вискозитетът на електролита се увеличава

В литиевата батерия литиевите йони трябва да се движат напред-назад в течен електролит, за да транспортират енергия от положителния електрод към отрицателния електрод (зареждане) или обратно (разреждане). При по-ниски температури електролитът става по-дебел, което значително намалява скоростта на дифузия на литиевите йони. Можете да мислите за това като плуване в сироп вместо вода – ефективността естествено е много по-ниска.

Колкото по-бавно йоните достигат повърхността на електрода, толкова повече цялата електрохимична реакция е "заседнала".

② Материалът на електрода „не иска да се движи“-кинетиката на реакцията се влошава.

При ниски температури кинетиката на вмъкване и извличане на литиев-йон в катодни материали (като NMC трикомпонентен литий или LFP литиево-железен фосфат) и анодни материали (обикновено графит) се забавя значително. Просто казано, електродните материали са "бавни" при ниски температури, намалявайки броя на литиевите йони, които могат да участват в ефективни химични реакции, като по този начин освобождават по-малко енергия.

③ Вътрешното съпротивление „скача“ - насложено тройно съпротивление

Ниските температури едновременно повишават три вида устойчивост:

Проводимостта на електролита намалява (проводимостта му се влошава).

Повишено междуфазово съпротивление на трансфер на заряд (което прави по-трудно за литиевите йони да се "изкачат" върху повърхността на електрода)

Импедансът на SEI филма (твърд електролитен интерфейсен филм) се увеличава (йон{0}}проводимата способност на защитния слой на отрицателния електрод намалява при ниски температури).

Комбинираният ефект на тези три съпротивления води до значително увеличаване на вътрешното съпротивление на батерията. По-високото вътрешно съпротивление води до по-ниско ефективно напрежение по време на разреждане, което води до разсейване на загубата на енергия като топлина, което допълнително намалява действителната използваема енергия.

④ Най-опасната ситуация – отлагане на литий, причинено от зареждане при ниска-температура

Това е най-тревожният аспект. По време на зареждане при ниска -температура, литиевите йони не могат да бъдат вкарани в графитния анод навреме и ще се утаят върху повърхността на анода под формата на метален литий, образувайки литиево покритие, което може да се развие в литиеви дендрити в тежки случаи.

Опасностите от литиевите дендрити са: необратима загуба на капацитет; допълнително увеличаване на вътрешното съпротивление; в най-тежките случаи дендритите могат да пробият сепаратора, причинявайки късо съединение или дори топлинно изтичане.

Следователно зареждането под 0 градуса е абсолютно забранено, без изключение.

3. Колко капацитет губят литиевите батерии през зимата?

Големината на загубата на капацитет зависи от температурата, тока на разреждане, химията на батерията и състоянието на стареене на батерията. Следните данни се основават на доклади от изпитвания на NREL и проучване на зимния пробег на AAA за електрически превозни средства:

За електрическите превозни средства докладът от зимния тест на AAA за 2023 г. показва, че в среда от -7 градуса средният пробег на шофиране (без отопление) намалява с около 12%, докато при включено отопление намалението нараства до около 41%. Това показва, че докато загубата на капацитет на батерията се дължи отчасти на самата батерия, допълнителните натоварвания като отопление, размразяване и отопление на кабината са основните причини за значителното намаляване на обхвата на шофиране през зимата.

Две важни напомняния:

Процентът на батерията, показван от устройството, често е завишен при ниски температури и действителната използваема енергия е по-ниска от показаната стойност. Това е така, защото BMS (Система за управление на батерията) не може да отрази точно състоянието на ниска-температура, след като е била калибрирана при стайна температура.

Загубата на капацитет, причинена от разреждане при ниска-температура, обикновено може да бъде възстановена след повишаване на температурата; обаче щетите, причинени от отлагането на литий поради зареждане при ниска{1}}температура, са постоянни.

4. Кой тип литиева батерия работи по-добре при студено време?

Този въпрос всъщност е доста противоречив в индустрията и няма просто „кое определено е по-добро“. Има твърде много променливи, които влияят на ефективността при ниски-температури, а химическите имена са само един аспект.

NMC троен литий срещу LFP литиево-железен фосфат

Общото мнение в индустрията относно сравнението на двете при ниски температури е:

NMC (троен литий): При умерено ниски температури (около -10 градуса) има сравнително добра енергийна плътност и запазване на капацитета, което е една от причините повечето потребителска електроника и ранните електрически превозни средства да изберат NMC.

LFP (литиево-железен фосфат): Има по-добър цикъл на живот и безопасност при стайна температура, но намаляването на капацитета на стандартните формули може да бъде по-значително при изключително ниски температури (под -20 градуса). През последните години обаче производители като BYD и CATL направиха много оптимизации на формулировката за нискотемпературно представяне на LFP и разликата намалява.

Струва си да се отбележи, че в рамките на една и съща химическа система разликите във формулите между различните производители могат да бъдат много по-големи от разликите между различните химически системи. Когато купувате, дайте приоритет на публикуваната от производителя крива на разреждане при ниска-температура (коефициент на задържане на капацитета на разреждане при -20 градуса) и минималната граница на температурата на зареждане, което е по-ценно, отколкото просто гледане на „NMC или LFP“.

Оптимизирана-за ниска температура формула: истинската разлика

Някои производители на батерии, които се фокусират върху-приложения с ниска температура, ще приемат:

Електролити с органичен разтворител с нисък{0}}вискозитет (като формулировки, съдържащи етерни разтворители).

Специалните добавки за{0}}образуване на SEI филм подобряват свойствата на интерфейса при ниски{1}}температури

По-тънкото покритие на електрода скъсява пътя на дифузия на литиево-йони.

Тези подобрения на формулата са особено ефективни при изключително студени условия (под -30 градуса), но често идват с цената на жертване на част от енергийната плътност при стайна температура.

Батерийни пакети с вградено-нагряване: най-незабавен ефект.

Независимо от химичния състав, батерийните пакети с интегрирано предварително нагряване и добри топлоизолационни структури работят много по-добре от голите клетки в хладна среда. В момента това е най-решаващият фактор за разликата в представянето през зимата между електрическите превозни средства и устройствата за съхранение на енергия на открито, което ще бъде обсъдено подробно в раздела за проектиране по-късно.

5. Как да подобрим работата на литиевите батерии през зимата?

Следните препоръки са изброени по ред на важност за здравето на батерията. Първите два са основни-принципи, а вторите са за оптимизиране на ефективността:

Първо правило: Никога не зареждайте под 0 градуса

Това не е предложение, а принцип. Зареждането при ниска-температура е пряка причина за отлагането на литий и произтичащите от това щети са необратими. Ако устройството ви се изтощи при ниска-температура на открито, върнете го на стайна температура за поне 30 минути, преди да го свържете за зареждане.

Втора точка: Загрейте предварително преди употреба, запазете топлината след употреба

Устройства, които поддържат предварително загряване (повечето съвременни електрически превозни средства имат тази функция): Предварителното загряване на батерията на закрито или чрез приложение преди потегляне позволява тя да достигне по-висока температура преди употреба, което може значително да подобри капацитета на разреждане и приемането на зареждане.

За устройства без функция за предварително загряване (мобилни телефони, фенерчета, дронове и др.): затоплете ги във вътрешен джоб или изолирана чанта преди употреба; ефектът ще бъде видим веднага.

Член 3: Контролиране на високото-разреждане в изключително студени среди

Висок-токов разряд (като бързо ускоряване на електрически превозни средства или излитане на дронове) при ниски температури причинява по-сериозен спад на напрежението поради вътрешно съпротивление, което води не само до ниска ефективност, но и до потенциал за задействане на защита от пре-разреждане. Внимателното шофиране през зимата ще подобри работата на батерията.

Член 4: Правилно съхранение

Батерии, които не са използвани за продължителен период (повече от 2 седмици):

Температура на съхранение: 10 градуса –25 градуса, на сухо и защитено от светлина място.

Оставащ заряд: Поддържайте го между 30% и 60% (за да избегнете повреда на положителния извод, като го оставите частично зареден, и за да избегнете повреда на отрицателния извод, като го оставите недостатъчно зареден).

Проверявайте състоянието на батерията на всеки 1–2 месеца и я допълвайте до горния диапазон.

Статия 5: Съвети за управление на консумацията на енергия на електрически превозни средства през зимата

Основната дилема при шофиране през зимата е, че нагревателят консумира твърде много електричество, но е твърде студено без него. Ето няколко компромиса:

Дайте приоритет на използването на отопляеми седалки и волан; тези локализирани отоплителни системи изискват само няколкостотин вата, което е много по-ефективно от отоплението на климатика.

Загрейте предварително количката, когато е включена (загрява се от външен източник на захранване, без да консумирате батерии).

Когато паркирате, опитайте се да изберете закътани или закрити паркинги, за да намалите загубата на топлина от батерията.

6. Как проектираме пакети литиеви батерии за приложения при студено-време

Следващото съдържание се основава на практическия проектантски опит на екипа ни в проекти за криогенно съхранение на енергия и електрически батерийни пакети за специални превозни средства и е приложимо за професионални сценарии, които изискват стабилна работа при -20 градуса до -40 градуса.

Система за термично управление (TMS): Ядрото на криогенния дизайн

За батерийни пакети, предназначени за екстремно студени условия на работа, термичното управление не е „опционална“, а „стандартна функция“. Нашите типични решения включват:

PTC саморегулиращ се нагревателен филм: плътност на мощността приблизително 150–300 W/m², предимствата включват саморегулиращи се характеристики за безопасност и надеждност и умерена цена; подходящ за изисквания за предварително загряване от -20 градуса до 0 градуса.

Интегрирана система за течно охлаждане + течно отопление: Същата течна верига се използва за отопление през зимата и охлаждане през лятото. Системата има висока степен на интеграция, но цената и теглото също са по-големи; подходящ за проекти от -автомобилен клас със строги изисквания за ефективност в целия температурен диапазон.

Топлоизолационни материали и контрол на студения мост: Външната обвивка е направена от материали с ниска топлопроводимост или е добавен изолационен слой (като аерогел филц, с топлопроводимост до 0,015 W/(m·K)). В структурния дизайн металните части се избягват да преминават директно през вътрешната и външната страна, за да се предотвратят ефектите на студен мост, които причиняват локализирани ниски температури.

Стратегия за защита при ниска температура на BMS: Първо твърдата логика

Системата за управление на батерията (BMS) трябва да изпълнява следното за ниски температури:

Забранено-зареждане при ниска температура: Когато температурата на клетката е под 5 градуса, командите за зареждане са напълно забранени (конфигурируем праг зависи от спецификациите на клетката).

Ниско{0}}температурен ток-ограничен разряд: Когато температурата е между -10 градуса и 5 градуса, максималният разряден ток е ограничен до 30%–50% от номиналната стойност, за да се избегне честото задействане на защитата от падане на напрежението поради прекомерно вътрешно съпротивление.

Мониторинг на-температурата в реално време: Всеки пакет е оборудван с поне множество температурни сензори, за да се осигури равномерно вземане на проби от температурата и да се предотврати маскирането на локализирано преохлаждане от средната стойност.

Избор и проверка на клетки

В началото на проекта ние изискваме от доставчиците на клетки да предоставят криви на задържане на капацитета за 0,2C разряд при -20 градуса, както и тестов доклад за способността за приемане на заряд при -10 градуса. Доставчиците, които могат да предоставят пълни данни от тестове при ниски температури, обикновено са по-надеждни по отношение на формулировката и последователността на производството.

За екстремни сценарии под -30 градуса (като оборудване за полярни изследвания и дронове на голяма-надморска височина), стандартната литиево-йонна система вече не е достатъчна. Ще оценим нововъзникващите технологични пътища като литиево-метални батерии или твърдотелни батерии, но тези решения все още са в етап на пробив в масовото производство.

Сътрудничество-на ниво система: Батериите не са изолирани острови

Термичното управление на батерията трябва да бъде проектирано във връзка с цялостната система/система на превозното средство. Често срещана грешка е, че термичното управление на батерията е проектирано добре, но батерията веднага се подлага на пълно натоварване след включване на системата. Батерията се "изчетква" от голям ток, преди да е загряла напълно, което прави управлението на топлината неефективно.

Нашият опит показва, че настройването на логика за „нарастване на мощността при студен старт-нагоре“ на ниво системен фърмуер-автоматично ограничаване на първоначалната изходна мощност въз основа на температурата на клетката след-включване и постепенно освобождаване на пълна мощност с повишаване на температурата-е почти незабележимо за потребителя, но има много значителен ефект върху защитата на живота на батерията.

7. Често задавани въпроси (FAQ)

В1: Могат ли литиевите батерии да се разреждат и използват под нула градуса по Целзий?

Да, но производителността ще намалее. Самото разреждане не причинява отлагане на литий, то само намалява използваемия капацитет и отслабва изходната мощност. Въпреки това, зареждането е абсолютно забранено -дори при -1 градус, има риск от отлагане на литий. Принципът за преценка е прост: разреждането е приемливо, зареждането трябва да изчака температурата да се възстанови.

В2: Защо пробегът на моя електрически автомобил намалява толкова много през зимата?

Намаляването на капацитета на батерията е само част от причината, като обикновено допринася с 10%–20% за загубата на обхват. По-големият виновник е отоплителната система – според AAA тестове, включването на нагревателя може да доведе до обща загуба на обхват от над 40%. Други фактори включват повишено съпротивление при търкаляне поради по-ниско налягане в гумите при ниски температури и намалена ефективност на двигателя при ниски температури. Препоръчва се да се даде приоритет на отоплението на седалките вместо централната отоплителна система на автомобила, тъй като спестяванията на енергия са значителни.

В3: Каква е оптималната температура и ниво на зареждане за съхранение на литиеви батерии през зимата?

Препоръчителна температура: 10 градуса –25 градуса, в суха и тъмна среда. Препоръчително зареждане: 30%–60%. Не съхранявайте при пълно зареждане (това натоварва положителния извод), нито съхранявайте при ниско зареждане (това може да причини повреда при прекомерно{6}}разреждане). Проверявайте и презареждайте до горния диапазон на всеки 1–2 месеца.

Q4: Щетите, причинени от използването на батерии при ниски температури, постоянни ли са?

Зависи от ситуацията. Загубата на капацитет поради обикновено разреждане при ниска-температура е предимно временна и се възстановява с повишаване на температурата. Отлагането на литий, причинено от зареждане при ниска-температура, е трайна повреда и с натрупването на отлаганията батерията се влошава, което представлява опасност за безопасността. Следователно отговорът на този въпрос зависи от това дали някога сте зареждали батерията си при ниски температури.

В5: Телефонът ми внезапно се изключва при ниски температури. Батерията дефектна ли е?

Най-вероятно не е счупен. При ниски температури напрежението на батерията може да падне до защитния праг на BMS (система за управление на батерията) на телефона по-рано, въпреки че все още може да има оставащ заряд. След като се върне в по-топла среда, телефонът обикновено се включва автоматично и показва оставащото ниво на батерията. Това е нормално електрохимично явление, а не неизправност. Въпреки това, ако това се случва често дори при стайна температура, тогава трябва да се има предвид стареенето на батерията.

Q6: Има ли литиеви батерии, препоръчани за използване в изключително студена външна среда?

минималната работна температура и-степента на задържане на разряда при ниска температура в спецификациите на продукта, вместо просто да гледате марката или името на химикала. Понастоящем някои пакети батерии на пазара са оптимизирани за сценарии с ниска-температура и ще посочват данни за степента на задържане на капацитета при -20 градуса или -30 градуса (като например достигане на повече от 80% от номиналния капацитет) в спецификациите. Тези продукти осигуряват по-надеждна основа за избор.

Резюме

Студеното време кара литиевите батерии да се „влошат“, резултат от комбинираните ефекти на три физикохимични механизма: сгъстяване на електролита, забавяне на кинетиката на електрода и повишено вътрешно съпротивление. В повечето случаи това влошаване е временно и обратимо-стига да не ги зареждате при ниски температури.

За обикновените потребители двете най-важни неща са: не зареждайте под 0 градуса и предварително загрейте батерията, доколкото е възможно преди употреба. За професионални приложения, които изискват стабилна работа в изключително студени среди, качеството на дизайна на системата за термично управление и BMS стратегията за защита при ниски-температури е истинският вододел, който определя производителността на батерията.

Със съзряването на ниско{0}}температурно оптимизирана електролитна технология и постепенното внедряване на твърдотелни-батерии, все още има значително място за подобряване на производителността на литиевите батерии в изключително студени среди. Но дотогава разбирането на принципите и правилното им използване остава най-икономичното и ефективно решение.