EN
Greitieji nuorodos
Ličio jonų baterijų veikimas labai priklauso nuo to, kaip temperatūra veikia jų vidinius cheminius reakcijas. Kai temperatūra pakyla tik 10 laipsnių Celsijaus virš kambario temperatūros (tai apie 77 °F), viduje esantys jonai juda 40–50 procentų greičiau. Dėl to baterija geriau laiduoja elektros srovę, tačiau ilgainiui tai gali sukelti dalių susidėvėjimą. Situacija dar labiau pablogėja, kai temperatūra viršija 70 °C (apie 158 °F). Šiuo metu pradeda ardytis taip vadinamas kietosios elektrolito sąsajos (SEI) sluoksnis. Šis apsauginis sluoksnis yra labai svarbus elektrodams apsaugoti, todėl, kai jis sugenda, baterija visam laikui praranda talpą. Kita vertus, šaltas oras taip pat sukelia problemų. Temperatūrai nukritus žemiau 5 °C (apie 41 °F), baterijoje esantis skystis pasidaro kur kas klampusnis, dėl ko jonams sunku judėti. Tai reiškia mažesnę galimą naudoti energiją – apie 15–30 procentų sumažėjimą to, ką baterija iš tikrųjų gali atiduoti.
Kai temperatūra nukrenta žemiau užšalimo taško, baterijos susiduria su rimtais iššūkiais. Elektrolitas viduje pasidaro daug klampus apie -20 laipsnių Celsijaus (-4 Farenheito), padidindamas savo klampumą nuo 300 iki 500 procentų. Tuo pat metu baterijos gebėjimas priimti įkrovą krinta maždaug 60 %. Šios problemos kartu sukelia vidinės varžos šuolį 200–400 procentais lyginant su normaliomis kambario temperatūromis. Dėl to 48 voltų ličio jonų sistemoms reikia papildomai pasistengti, kad tinkamai veiktų. Tiriant tikrus našumo duomenis iš elektrinių automobilių, veikiančių Arkties sąlygose, atskleidžiama ir kai kas neraminančio. Vairuotojai praneša netenkant beveik ketvirtadalio įprastos važiavimo ribos dėl visų šių problemų, kaip nurodyta Elektrocheminės draugijos 2023 m. paskelbto tyrinėjimo.
Kai baterijos per ilgai laikomos karštoje aplinkoje, kurios temperatūra siekia apie 45 laipsnius Celsijaus (tai maždaug 113 Farenheito), jos pradeda greičiau nei įprastai blogėti. Jų tarnavimo laikas sutrumpėja maždaug dviejų su puse kartų lyginant su idealiomis sąlygomis. Naujausi 2023 metų tyrimai dėl šiluminio senėjimo parodė kažką svarbaus: baterijos, veikiančios tokioje aukštoje temperatūroje, po vos 150 įkrovimo ciklų prarado apie 15 % talpos, tuo tarpu tos, kurios buvo palaikomos kambario temperatūroje (apie 25 °C), sumažėjo tik apie 6 %. Yra ir kita problema, vykstanti po paviršiumi. Kai temperatūra pakyla virš 40 laipsnių Celsijaus, šių baterijų vidinė SEI sluoksnis auga tris kartus greičiau nei įprastai. Tai reiškia, kad vis daugiau litio jonų amžinai užstręsta, palaipsniui mažinant naudingo medžiagos kiekį baterijų elementuose laikui bėgant.
Kai baterijos įkraunamos esant temperatūroms žemiau užšalimo taško, viduje sutrinka litio jonų elgesys. Vietoje to, kad judėtų į tinkamas anodo medžiagos vietas, jie pradeda kauptis metalines nuosėdas paviršiuje. Kas nutinka toliau? Na, šios nuosėdos sukelia problemas. Iš esmės jos padidina trumpojo jungimo riziką apie 80 %, kas yra gana rimta. Be to, dėl jų baterijos bendra talpa greičiau mažėja laikui bėgant. Laimei, dabar egzistuoja diagnostikos įrankiai, kurie aptinka šiuos ankstyvus metalo kaupimosi požymius dar prieš prasidedant didesniems gedimams. Įmonės, susiduriančios su šia problema, buvo priverstos nustatyti labai griežtas taisykles, kokia greičiau gali būti įkraunama baterija šaltu oru. Dauguma nustato maksimalią įkrovimo spartą ne didesnę nei 0,2C, kai aplinkos temperatūra nukrenta žemiau penkių laipsnių Celsijaus.
48 V ličio jonų baterijų šiluminis elgesys žymiai skiriasi priklausomai nuo jų naudojimo vietos. Paimkime elektrinius automobilius – dauguma šiandieninių modelių važiuojant automagistrale remiasi netiesiogine skysčio aušinimo sistema, kad baterijų rinkiniai išliktų žemiau 40 laipsnių Celsijaus. Tai padeda išlaikyti apie 98 procentus pradinės baterijos talpos, net jei ji buvo pilnai įkrauta ir iškrauta 1000 ciklų. Tačiau sudėtingiau tampa vertinant atsinaujinančios energijos kaupimo sistemas dykumų regionuose. Šios sistemos susiduria su ilgais laikotarpiais, kai aplinkos temperatūra pakyla virš 45 laipsnių Celsijaus. Rezultatas? Baterijos talpa linkusi mažėti apie 12 procentų greičiau lyginant su panašiomis sistemomis vėsesnėse vietovėse. Norėdami kovoti su šiomis problemomis, gamintojai sukūrė pažangias baterijų valdymo sistemas, trumpai vadinamas BMS. Šios protingos sistemos automatiškai reguliuoja įkrovimo greitį ir įjungia aušinimo mechanizmus, kai atskiri elementai pradeda perkaisti, paprastai pasiekus 35 laipsnių Celsijaus ribą. Pramonės ekspertai šią technologiją laiko esmine baterijų tarnavimo laikui pratęsti sunkiomis sąlygomis.
Remiantis 2023 m. tyrimu, kurio metu buvo stebimi sandėlių robotai, baterijos, įvertintos 48 voltų, kasdien patyrusios temperatūros pokyčius nuo minus 10 laipsnių Celsijaus iki 50 laipsnių Celsijaus, po 18 mėnesių prarado apie 25 procentų jų galios. Tai triskart greitesnis degradacijos tempas lyginant su baterijomis, saugomomis kontroliuojamose klimato sąlygose. Kai tyrėjai išardė šias sugedusias baterijas, kad jas išnagrinėtų iš arčiau, jie aptiko problemas, pvz., litio nusodinimąsi, vykstantį mašinoms paleidžiant šaltomis sąlygomis, taip pat separatorių susitraukimą, kai temperatūra pernelyg pakyla. Pažvelgus į kitą pusę, pramoninės baterijos, sukurtos su termoreguliavimo sistemomis, iš tikrųjų veikė žymiai geriau. Šios baterijos naudojo specialias fazės pokyčių medžiagas, kurios padėjo išlaikyti elektrinę varžą gan pastovią – plius arba minus 3 procentai – per 2000 įkrovimo ciklų. Tai aiškiai rodo, kaip svarbu užtikrinti tinkamą temperatūros kontrolę baterijoms, dirbančioms sunkiomis aplinkos sąlygomis.
Veikimas aukštesnėje kaip 40 °C temperatūroje pagreitina senėjimą, sumažindamas ciklų skaičių iki 40 % lyginant su 25 °C (Nature 2023). Padidėjusi temperatūra destabilizuoja SEI sluoksnį ir skatina šiluminį skilimą, dėl ko neatsigręžiamai mažėja talpa. Esant 45 °C, baterijos per 300 ciklų gali prarasti 15–20 % pradinės talpos dėl katodo skilimo ir elektrolito oksidacijos.
Aukšta temperatūra inicijuoja tris pagrindinius gedimo mechanizmus:
Šios egzoterminės reakcijos gali sukelti savaiminį kaskadinį efektą. Tyrimai rodo, kad kas 10 °C temperatūros padidėjimas virš 30 °C padvigubina litio nusodinimo ant anodo greitį – tai viena iš pagrindinių šiluminio nestabilumo priežasčių.
Ličio jonų elementai pradeda patirti rimtus gedimus, kai vidaus temperatūra pasiekia apie 150 laipsnių Celsijaus. Šiuo metu jie patenka į taip vadinamą šiluminį nestabilumą – esą grandininę reakciją, kurioje generuojama šiluma kaupiasi greičiau, nei gali išeiti. Kokie rezultatai? Pagal įvairius pramonės tyrimus, elementai gali išleisti dujas, užsidegti ar net sprogti per sekundes. Tačiau šiuolaikinės baterijų valdymo sistemos tikrai padėjo sumažinti tokių problemų atsiradimą. Gamintojai teigia, kad nuo 2018 m. tokių incidentų skaičius sumažėjo beveik 97 procentais, tai pateikiama praėjusiais metais „Energy Storage News“ žinių leidime. Vis dėlto 48 voltų sistemos ypač jautrios kai kuriems labai pavojingiems gedimams, įskaitant:
| Rizikos veiksnys | Smūgio slenkstis | Pažanga |
|---|---|---|
| Separatoriaus lydimasis | 130°C | Vidinis trumpasis jungimas |
| Elektrolito užsidegimas | 200°C | Liepsnos plitimas |
| Katodo skilimas | 250°C | Toksiškų dujų išsiskyrimas |
Aktyvus aušinimas ir nuolatinis šiluminis stebėjimas yra būtini, kad būtų išvengta katastrofiškų pasekmių aukštos temperatūros situacijose.
Ličio jonų baterijos tikrai susiduria su sunkumais, kai atsigauna šaltis, nes temperatūrai krintant viduje esantys jonai susiduria su didesniu pasipriešinimu. Kai kalbame apie tokias temperatūras kaip minus 20 laipsnių Celsijaus (tai maždaug minus 4 pagal Farenheitą), baterijos talpa smunka iki maždaug 60 % to, ką ji paprastai laiko kambario temperatūroje. Įtampa taip pat krenta, sumažėdama apie 30 %. Tai labai svarbu elektriniams automobiliams ar saulės energijos kaupimo sistemoms, esančioms toli nuo elektros tinklo. Šiems prietaisams reikia stabilios energijos tiekimo net tada, kai gamta siunčia blogiausią žiemos orą, tačiau šaltas oras tai padaro kur kas sudėtingesnį uždavinį.
Kai baterijos įkraunamos žemiau užšalimo taško (tai 32 °F tiems, kurie vis dar naudoja Farenheito skalę), iš esmės kyla dvi didelės problemos. Pirma, vyksta reiškinys, vadinamas litio nusodinimu, kai ant baterijos neigiamo elektrodo kaupiasi metalinis litis. Tai nėra tik erzinantis dalykas – tyrimai iš Battery University parodo, kad kiekvieną kartą tai nutikus, baterija amžinai praranda apie 15–20 % savo bendros talpos. Tada yra elektrolito problema. Esant temperatūroms, tokioms žemoms kaip minus 30 laipsnių Celsijaus, skystis baterijoje tampa apie aštuonis kartus storesnis nei įprastai. Įsivaizduokite, kad bandote per šiaudą pilstyti medų, kai jis turėtų laisvai tekėti. Susistorėjęs elektrolitas labai apsunkina jonų judėjimą, todėl baterija iš tiesų visiškai neįkraunama. Dauguma pramoninių baterijų sistemų yra su integruotais šildymo elementais ar kitomis temperatūros kontrolės priemonėmis, kad būtų išvengta šios nesąmonės. Tačiau įprasti vartotojų įkrovikliai? Jie paprastai neturi jokių tokių saugos priemonių, todėl daugelis žmonių nesuvokdami galiausiai pažeidžia savo baterijas.
Lauko bandymai rodo, kad termiškai reguliuojami korpusai Šiaurės ašigalyje esančiose energijos įrenginiuose ciklinį tarnavimo laiką pailgina 23 % lyginant su nevaldomomis sistemomis.
48 V ličio jonų baterijų optimalus veikimo langas yra nuo 20 °C iki 30 °C (68 °F iki 86 °F), ką patvirtino 2025 m. pramonės tyrimai elektrinėje aviacijoje. Žemiau 15 °C naudojama talpa sumažėja 20–30 %; ilgalaikis veikimas aukščiau nei 40 °C pagreitina elektrolito skilimą keturis kartus, lyginant su kambario temperatūra.
Šiuolaikinės BVS integruoja paskirstytus temperatūros jutiklius ir adaptacinius algoritmus, kad išlaikytų šiluminę pusiausvyrą. 2021 m. atliktas daugiasluoksnių konstrukcijų tyrimas parodė, kad pažangios BVS dėka dinaminio apkrovos paskirstymo ir įkrovimo greičio moduliacijos paketo vidinės temperatūros skirtumai sumažėja 58 %.
Šiuolaikiniai inžinieriai naudoja fazės pokyčio medžiagas, kurios gali sugerti apie 140–160 kilodžiulių energijos vienam kilogramui, kai atsiranda staigus šilumos padidėjimas, kartu su keraminėmis izoliacijos sluoksniais, kurie beveik nepraleidžia šilumos (tik 0,03 vatų vienam metrui kelvinui). Skysčio aušinimo plokštės taip pat padeda išlaikyti temperatūrą, užtikrindamos, kad paviršiaus temperatūra nepakiltų daugiau nei 5 laipsniai Celsijaus net per intensyvius 2C greito įkrovimo ciklus, kurie praeitais metais sėkmingai išlaikė šiluminės stabilumo bandymus. Visi šie komponentai, veikdami kartu, užtikrina, kad baterijos nuosekliai gerai dirbtų nepriklausomai nuo oro sąlygų ar eksploatacijos sąlygų, su kuriomis jos susiduria realiose sąlygose.