A lítiumion-akkumulátorok működése nagyban függ attól, hogyan befolyásolja a hőmérséklet a belsejükben zajló kémiai reakciókat. Amikor a hőmérséklet csak 10 °C-kal emelkedik a szobahőmérséklet fölé (ami körülbelül 77 °F), az akkumulátoron belüli ionok 40–50 százalékkal gyorsabban mozognak. Ez javítja az áramvezetést, de idővel az alkatrészek sérülését is okozhatja. Amikor a hőmérséklet 70 °C fölé emelkedik (körülbelül 158 °F), a helyzet igazán rosszra fordul. Ezen a ponton elkezd lebomlani az úgynevezett szilárd elektrolit határréteg (SEI-réteg). Ez a védőréteg rendkívül fontos az elektródák védelmében, így annak elvesztése végleges kapacitáscsökkenést eredményez. A hideg időjárás szintén problémákat okoz. 5 °C alatt (körülbelül 41 °F) az akkumulátor belsejében lévő folyadék lényegesen sűrűbbé válik, nehezebbé téve az ionok mozgását. Ennek következtében a rendelkezésre álló teljesítmény csökken, az akkumulátor ténylegesen leadott teljesítménye körülbelül 15–30 százalékkal csökken.
Amikor a hőmérséklet a fagypont alá csökken, az akkumulátorok komoly kihívásokkal néznek szembe. Körülbelül -20 Celsius-foknál (-4 Fahrenheit) az akkumulátor belsejében lévő elektrolit jelentősen sűrűbbé válik, viszkozitása 300 és 500 százalék között növekszik. Ugyanakkor az akkumulátor töltésfelvételi képessége körülbelül 60 százalékkal drasztikusan lecsökken. Ezek a problémák együttesen azt eredményezik, hogy a belső ellenállás 200 és 400 százalékkal megugrik a normál szobahőmérsékleten tapasztalt értékhez képest. Ennek következtében a 48 V-os lítiumionos rendszereknek extra erőfeszítést kell tenniük csak azért, hogy megfelelően működjenek. Az elektromos járművek sarkvidéki körülmények között mért teljesítményére vonatkozó adatok pedig további aggodalmakat vetnek fel. A 2023-ban az Elektrokémiai Társaság által közzétett kutatás szerint a vezetők majdnem negyedével kevesebb hatótávot tudtak elérni a megszokottól a fenti problémák együttes hatására.
Amikor a készletek túl hosszú ideig forró környezetben, kb. 45 fokos Celsius-hőmérsékleten (ez kb. 113 Fahrenheit) tartózkodnak, gyorsabban kezdődik el a lebomlásuk, mint normál esetben. Az élettartamuk durván kétszer és félszer rövidebb lesz, mint ideális körülmények között. A 2023-as hőöregedési tesztek egy meglehetősen tanulságos dolgot mutattak ki: az ilyen magas hőmérsékleten működő akkumulátorok kb. 15%-ot veszítettek kapacitásukból csupán 150 töltési ciklus után, míg a szobahőmérsékleten (kb. 25°C-on) tároltak csak kb. 6%-ot csökkentek. És van még egy, a felszín alatt zajló probléma is. Amint a hőmérséklet meghaladja a 40 °C-ot, a készleteken belüli SEI-réteg háromszor gyorsabban növekszik a szokásosnál. Ez azt jelenti, hogy egyre több lítiumion fog beékelődni véglegesen, és így fokozatosan csökken az akkumulátorcellákban felhasználható anyag mennyisége az idő múlásával.
Amikor a fagyáspont alatti hőmérsékleten töltődnek az akkumulátorok, probléma lép fel a lítiumionok viselkedésével bennük. Ahelyett, hogy a katód anyag megfelelő helyeire mozognának, fémlemezletek kezdődnek kialakulni a felületükön. Mi történik ezután? Nos, ezek a lerakódások problémákat okoznak. Tényegesen megnövelik a rövidzárlat kockázatát körülbelül 80%-kal, ami elég komoly. Emellett az akkumulátor teljes kapacitása is gyorsabban csökken az idő múlásával. Szerencsére ma már rendelkezésre állnak olyan diagnosztikai eszközök, amelyek korai stádiumban észlelik ezen fémfelhalmozódás jeleit, mielőtt súlyossá válnának. A vállalatoknak, amelyek ezzel a problémával foglalkoznak, igen szigorú szabályokat kellett bevezetniük arra vonatkozóan, milyen gyorsan lehet az akkumulátorokat feltölteni hideg körülmények között. A legtöbb cég maximális töltési sebességet határoz meg, amely általában nem haladja meg a 0,2C-t, amikor a környezeti hőmérséklet öt Celsius-fok alá csökken.
A 48V-os lítiumion akkumulátorok hőmérsékleti viselkedése jelentősen változhat attól függően, hogy milyen körülmények között használják őket. Vegyük például az elektromos autókat: a mai modellek többsége közvetett folyadékhűtést alkalmaz, hogy az akkumulátorcsomagok hőmérséklete vezetés közben 40 °C alatt maradjon. Ez segít megőrizni az eredeti kapacitás körülbelül 98 százalékát, még akkor is, ha az akkumulátor már 1000 teljes töltési cikluson átesett. Nehezebb helyzetbe kerülünk azonban, amikor sivatagi övezetekben elhelyezett megújuló energia tároló rendszereket vizsgálunk. Ezek a rendszerek hosszabb ideig tartó, 45 °C feletti környezeti hőmérsékletnek vannak kitéve. Ennek eredménye? Az akkumulátor kapacitása körülbelül 12 százalékkal gyorsabban csökken, mint hasonló berendezéseké hűvösebb területeken. Ezekkel a problémákkal szemben a gyártók fejlett akkumulátorkezelő rendszereket, röviden BMS-t dolgoztak ki. Ezek az intelligens rendszerek automatikusan szabályozzák a töltési sebességet, és bekapcsolják a hűtőmechanizmusokat, amint az egyes cellák túl melegek lesznek, általában kb. 35 °C-on. A szakértők ezt a technológiát létfontosságúnak tekintik az akkumulátorok élettartamának meghosszabbításához nehéz körülmények között.
Egy 2023-as, raktári robotokat vizsgáló tanulmány szerint a 48 voltos akkumulátorok, amelyek napi hőmérsékletváltozásoknak voltak kitéve mínusz 10 Celsius-foktól egészen plusz 50 Celsius-fokig, már 18 hónap után kb. 25 százalékos teljesítménycsökkenést szenvedtek. Ez háromszor gyorsabb lebomlást jelent azokhoz képest, amelyeket szabályozott környezetben tartottak. Amikor a kutatók szétszerelték ezeket az elhasználódott akkumulátorokat, olyan problémákat fedeztek fel, mint a lítium bevonódás (lithium plating), amely hideg körülmények közötti indításkor következett be, valamint a szeparátorok összehúzódása, amikor a hőmérséklet túlságosan magasra emelkedett. A másik oldalról nézve az ipari akkumulátorok, amelyek hőmérsékletszabályozó rendszerekkel lettek tervezve, lényegesen jobban teljesítettek. Ezek speciális fázisváltó anyagokat tartalmaztak, amelyek segítettek a villamos ellenállást viszonylag állandó szinten tartani, kb. plusz-mínusz 3 százalékon belül 2000 töltési cikluson keresztül. Ez egyértelműen mutatja, milyen fontos az akkumulátorok megfelelő hőmérséklet-szabályozása nehéz környezeti feltételek mellett végzett munka során.
A 40 °C feletti üzemi hőmérséklet felgyorsítja az anyagöregedést, így akár 40%-kal rövidebb ciklusélettartamot eredményezhet 25 °C-hoz képest (Nature 2023). A magasabb hőmérséklet destabilizálja az SEI-réteget, és elősegíti a termikus bomlást, ami visszafordíthatatlan kapacitásvesztéssel jár. 45 °C-on az akkumulátorok akár 15–20%-os kezdeti kapacitásveszteséget is elszenvedhetnek 300 cikluson belül a katód lebomlása és az elektrolit oxidációja miatt.
A magas hőmérséklet három fő meghibásodási útvonalat indít el:
Ezek a exotermikus reakciók önfenntartó lavinát hozhatnak létre. A kutatások szerint a 30°C feletti hőmérséklet minden 10°C-os növekedése duplájára gyorsítja a lítium lemezfelület kialakulásának sebességét az anódon – ami a termikus felfutás egyik fő előfutára.
A lítiumionos cellák akkor kezdenek komoly gondokba kerülni, amikor a belső hőmérséklet körülbelül 150 °C-ra emelkedik. Ekkor beindul a termikus felfutás, ami gyakorlatilag egy láncreakció, amelyben a termelődő hő gyorsabban halmozódik fel, mint ahogy el tudna szivárogni. Ennek eredménye? A cellák gázt bocsáthatnak ki, meggyulladhatnak, vagy akár másodpercek alatt felrobbanhatnak, ahogyan azt számos iparági tanulmány is jelzi. A modern akkumulátor-kezelő rendszerek valóban segítettek csökkenteni ezeket a problémákat. A gyártók szerint az ilyen esetek száma majdnem 97 százalékkal csökkent 2018 óta, ahogyan az Energy Storage News tavalyi cikke is közölte. Ennek ellenére a 48 voltos rendszerek különösen érzékenyek néhány igen veszélyes meghibásodási forgatókönyvre, ideértve:
| Kockázati tényező | Ütközési határ | Következmény |
|---|---|---|
| Elválasztó olvadás | 130°C | Belső rövidzár |
| Elektrolit begyulladása | 200°C | Flammerozálódási sebesség |
| Katód bomlása | 250°C | Mérgező gázok kibocsátása |
Magas hőmérsékletű helyzetekben a katasztrofális következmények elkerülése érdekében elengedhetetlen az aktív hűtés és folyamatos hőmérséklet-figyelés.
A lítiumion-akkumulátorok jelentős teljesítménycsökkenést mutatnak alacsony hőmérsékleten, mivel a belső ionok mozgását növekvő ellenállás nehezíti. Amikor például mínusz 20 Celsius-fokról van szó (ami körülbelül mínusz 4 Fahrenheit), az akkumulátor kapacitása kb. 60%-ra csökken a szobahőmérsékleten mért értékhez képest. A feszültség is nagyot esik, körülbelül 30%-kal. Ez különösen fontos szempont olyan eszközök esetében, mint az elektromos autók vagy a hálózattól távol lévő napelemes energiatároló rendszerek. Ezek az eszközök akkor is megbízható teljesítményt igényelnek, amikor a természet legszigorúbb téli időjárásával kell szembenézniük, de a hideg időjárás jelentősen megnehezíti ezt.
Amikor a fagyáspont alatti hőmérsékleten (azaz 32 °F, ha valaki még Fahrenheit-skálát használ) töltik az akkumulátorokat, két jelentős probléma lép fel. Először is, olyan jelenség következik be, amit lítium-lemezesedésnek nevezünk, amely során fémes lítium épül fel az akkumulátor negatív elektródáján. Ez pedig nem csupán bosszantó – a Battery University tanulmányai szerint minden ilyen eset után az akkumulátor véglegesen kb. 15–20%-ot veszít teljes kapacitásából. A másik gond az elektrolit kérdése. Akár mínusz 30 Celsius-fokos hőmérsékleten is az akkumulátor belsejében lévő folyadék nyolcszor sűrűbbé válik a normálisnál. Képzelje el, hogy mézet próbál szívószálon át önteni, miközben annak szabadon kellene folynia. Az ilyen sűrűsödött elektrolit miatt az ionok mozgása nagyon nehezen megy, így az akkumulátor valójában nem töltődik fel teljesen. A legtöbb ipari akkumulátor-rendszer beépített fűtőelemekkel vagy más hőmérsékletszabályozó rendszerekkel van ellátva, hogy megelőzzék ezt a kellemetlenséget. De a hétköznapi fogyasztói töltők? Ezek általában nem rendelkeznek ilyen biztonsági intézkedésekkel, ami megmagyarázza, miért sérülnek meg annyi akkumulátor anélkül, hogy a tulajdonosaik egyáltalán tudnának róla.
Gyakorlati próbák azt mutatják, hogy termikusan szabályozott burkolatok az északi sarkvidéki energiainstallációkban 23%-kal meghosszabbítják az élettartamot a nem szabályozott rendszerekhez képest.
A 48V-os lítiumion akkumulátorok számára az optimális működési tartomány 20°C és 30°C (68°F és 86°F) között van, amit a 2025-ös iparági tanulmányok az elektromos repülés területén is megerősítettek. 15°C alatt a hasznos kapacitás 20–30%-kal csökken; folyamatos működés 40°C felett az elektrolit bomlását négyszeresére növeli a szobahőmérsékleten mért értékhez képest.
A modern BMS rendszerek elosztott hőmérsékletérzékelőket és adaptív algoritmusokat integrálnak a hőmérsékleti egyensúly fenntartásához. Egy 2021-es többrétegű tervezési tanulmány kimutatta, hogy a fejlett BMS rendszerek a dinamikus terheléselosztással és töltési sebesség-módosítással az akkupakk belső hőmérsékleti gradienseit 58%-kal csökkentik.
A modern mérnökök olyan halmazállapot-változó anyagokat használnak, amelyek körülbelül 140 és 160 kilojoule energiát képesek felvenni kilogrammonként, ha hirtelen hőugrás következik be, miközben kerámiabetétekkel kombinálva alkalmazzák őket, amelyek alig vezetik a hőt (csupán 0,03 watt/méter Kelvin). A folyadékhűtéses lemezek szintén hűvösen tartják a rendszert, biztosítva, hogy a felületi hőmérséklet ne emelkedjen több mint 5 °C-kal még az intenzív 2C-es gyors töltés során sem, amely sikeresen átment a tavalyi hőstabilitási teszteken. Mindezen különféle komponensek együttes működése miatt az akkumulátorok stabilan jól teljesítenek, függetlenül attól, hogy milyen időjárási vagy üzemeltetési körülmények között dolgoznak a gyakorlatban.
EN