¿Por qué cargar las baterías de iones de litio a bajas temperaturas los dañaría?

De acuerdo con lo que he encontrado en varias fuentes (manual de usuario de dispositivos electrónicos, varios foros, etc.) no debería cargar mis baterías de iones de litio a bajas temperaturas porque esto podría dañarlas. Sin embargo, no está completamente claro qué tipo de daño recibirán y por qué exactamente recibirían algún daño.

¿Es eso realmente cierto? Si es así, ¿alguien puede explicarme la naturaleza de los procesos electrónicos y / o químicos que provocan daños al cargar baterías de iones de litio a bajas temperaturas?

Las "bajas temperaturas" son terriblemente vagas. Primero, permítanme especificar algunos números reales y duros.

No cargue baterías de iones de litio por debajo de 32 ° F / 0 ° C. En otras palabras, nunca cargue una batería de iones de litio que esté bajo cero.

Hacerlo incluso una vez dará como resultado una pérdida de capacidad repentina, severa y permanente del orden de varias docenas por ciento o más, así como un aumento similar y también permanente en la resistencia interna. Este daño ocurre después de un solo evento aislado de 'carga en frío', y es proporcional a la velocidad a la que se carga la celda.

Pero, aún más importante, una celda de iones de litio que se ha cargado en frío NO es segura y debe reciclarse o descartarse de manera segura. Por no seguro, quiero decir que funcionará bien hasta que explote al azar debido a vibraciones mecánicas, golpes mecánicos o simplemente alcanzando un estado de carga lo suficientemente alto.

Ahora, para responder realmente a su pregunta: ¿por qué es esto?

Esto requiere un resumen rápido de cómo funcionan las baterías de iones de litio. Tienen un ánodo, un cátodo y un electrolito como cualquier otra batería, pero hay un giro: los iones de litio en realidad se mueven del cátodo al ánodo durante la carga y se intercalan en él. La esencia de la intercalación es que las moléculas o iones (iones de litio en este caso) se amontonan entre los espacios moleculares de la red de algunos materiales.

Durante la descarga, los iones de litio salen del ánodo y regresan al cátodo, y también se intercalan en el cátodo. Entonces, tanto el cátodo como el ánodo actúan como una especie de 'esponja' para iones de litio.

Cuando la mayoría de los iones de litio se intercalan en el cátodo (lo que significa que la batería está bastante descargada), el material del cátodo se expandirá ligeramente debido a la tensión volumétrica (debido a todos los átomos adicionales encajados entre su red), pero generalmente la mayoría De esto, la fuerza de intercalación se convierte en tensiones internas (análoga al vidrio templado), por lo que la tensión volumétrica es leve.

Durante la carga, los iones de litio salen del cátodo y se intercalan en el ánodo de grafito. El grafito tiene básicamente una galleta de carbono, hecha de un montón de capas de grafeno para formar una estructura de galleta agregada. Estructura de galletas americanas.

Esto reduce en gran medida la capacidad del ánodo de grafito para convertir la fuerza de la intercalación en tensiones internas, por lo que el ánodo sufre una tensión volumétrica significativamente mayor, tanto que aumentará su volumen en un 10-20%. Esto debe estar (y está, excepto en el caso de cierta batería del teléfono Samsung de todos modos) permitido al diseñar una celda de iones de litio; de lo contrario, el ánodo puede debilitarse lentamente o incluso perforar la membrana interna que separa el ánodo del cátodo, causando Un muerto dentro de la celda. Pero solo una vez que un montón de julios ha sido empujado a la celda (expandiendo así el ánodo).

Ok ok, pero ¿qué tiene que ver esto con las bajas temperaturas?

Cuando carga una celda de iones de litio a temperaturas bajo cero, la mayoría de los iones de litio no se intercalan en el ánodo de grafito. En cambio, colocan en placa el ánodo con litio metálico, al igual que electrochapar una moneda de ánodo con un cátodo de metal precioso. Por lo tanto, la carga electrochapará el ánodo con litio en lugar de, bueno, recargarlo. Algunos de los iones se intercalarán en el ánodo, y algunos de los átomos en el revestimiento metálico se intercalarán más de 20 horas más tarde si la célula se deja descansar, pero la mayoría no lo hará. Esa es la fuente de la reducción de capacidad, el aumento de la resistencia interna y también el peligro.

Si ha leído mi respuesta relacionada sobre el intercambio de la pila a la pregunta "¿Por qué hay tanto miedo en torno a las baterías de iones de litio?", Probablemente pueda ver a dónde va esto.

Este revestimiento de litio del ánodo no es agradable, liso e uniforme: se forma en dendritas, pequeños zarcillos afilados de metal de litio que crecen en el ánodo.

Al igual que con los otros mecanismos de falla que también se deben al revestimiento metálico de litio del ánodo (aunque por diferentes razones), estas dendritas pueden ejercer una presión inesperada en la membrana de separación a medida que el ánodo se expande y las obliga a entrar, y si tiene mala suerte , esto hará que la membrana falle un día inesperadamente (o también de inmediato, a veces una dendrita simplemente le hace un agujero y toca el cátodo). Por supuesto, esto hace que la celda se ventile, encienda su electrolito inflamable y arruine su fin de semana (en el mejor de los casos).

Pero, quizás se pregunte, " ¿por qué las temperaturas bajo cero provocan el recubrimiento de ánodo con metal de litio?"

Y la respuesta desafortunada e insatisfactoria es que en realidad no lo sabemos. Debemos usar imágenes de neutrones para observar el interior de las células de iones de litio en funcionamiento, y teniendo en cuenta que solo hay alrededor de ~ 30 (¿31 creo?) Reactores de investigación activos en todo el mundo (reactores nucleares que actúan como fuente de neutrones) que están realmente disponibles para la investigación científica en un universidad en lugar de usarla para la producción de isótopos médicos, y todos ellos reservaron 24/7 para experimentos, creo que es solo una cuestión de paciencia. Solo ha habido unos pocos casos de imágenes de neutrones de baterías de iones de litio simplemente debido a la escasez de tiempo en el equipo.

Creo que la última vez que se usó específicamente para este problema de temperatura fría fue en 2014, y aquí está el artículo .

A pesar del titular, todavía no han resuelto exactamente qué es lo que causa el enchapado en lugar de la intercalación cuando la celda está bajo cero.

Curiosamente, en realidad es posible cargar una celda de iones de litio por debajo del punto de congelación, pero solo a corrientes extremadamente bajas, por debajo de 0.02C (por lo tanto, más de 50 horas de tiempo de carga). También hay algunas celdas exóticas disponibles en el mercado que están específicamente diseñadas para ser cargables en temperaturas frías, generalmente a un costo significativo (tanto monetariamente como en términos del rendimiento de las celdas en otras áreas).

Nota: Debo agregar que descargar una batería de iones de litio a temperaturas bajo cero es perfectamente seguro. La mayoría de las celdas tienen clasificaciones de temperatura de descarga de -20 ° C o incluso más frías. Solo se debe evitar cargar una celda 'congelada'.