EN
Ātrās saites
Litija jonu bateriju darbība lielā mērā ir atkarīga no temperatūras ietekmes uz to iekšējām ķīmiskajām reakcijām. Kad temperatūra paaugstinās par 10 grādiem Celsija virs istabas temperatūras (aptuveni 77°F), iekšējie joni kustas par 40 līdz 50 procentiem ātrāk. Tas uzlabo baterijas elektrovadītspēju, taču ilgtermiņā var izraisīt sastāvdaļu degradāciju. Situācija kļūst īpaši sliktāka, kad temperatūra pārsniedz 70°C (aptuveni 158°F). Šajā brīdī sāk sadalīties tā saucamais cietā elektrolīta starpfāzes vai SEI slānis. Šis aizsargpoksts ir ļoti svarīgs elektrodu aizsardzībai, tāpēc, kad tas zūd, baterija neatgriezeniski zaudē savu kapacitāti. Otrādi, arī aukstums rada problēmas. Zem 5°C (aptuveni 41°F) šķidrums baterijā kļūst daudz viskozāks, tādējādi sarežģinot jonu kustību. Tas nozīmē pieejamās enerģijas samazināšanos — aptuveni par 15 līdz 30 procentiem no tā, ko baterija faktiski spēj nodrošināt.
Kad temperatūra krītas zemāk par sasalšanas punktu, baterijas saskaras ar nopietniem izaicinājumiem. Elektrolīts iekšpusē kļūst daudz biezāks apmēram pie -20 grādiem pēc Celsija (-4 pēc Fārenheita), palielinot tā viskozitāti no 300 līdz 500 procentiem. Tajā pašā laikā baterijas spēja uzņemt lādiņu krasi samazinās aptuveni par 60%. Šie faktori kopā rada iekšējās pretestības strauju pieaugumu par 200 līdz 400 procentiem salīdzinājumā ar parastajiem istabas temperatūras apstākļiem. Rezultātā šīm 48 voltu litija jonu sistēmām ir jāpieliek papildus pūles, lai tās pareizi darbotos. Skatoties uz faktiskiem veiktspējas rādītājiem no elektriskajiem automobiļiem Arktiskos apstākļos, atklājas kaut kas diezgan satraucošs. Pētījumi, ko 2023. gadā publicēja Elektroķīmiskā biedrība, liecina, ka vadītāji ziņo par gandrīz ceturto daļu savas parastās braukšanas distance, ko zaudējuši tieši dēļ šiem kombinētajiem problēmām.
Kad baterijas pārāk ilgi atrodas karstā vidē ar aptuveni 45 grādu Celsija temperatūru (tas ir apmēram 113 pēc Fārenheita), tās sāk izjukt ātrāk nekā parasti. Salīdzinājumā ar ideāliem apstākļiem kalpošanas laiks saīsinās aptuveni divas ar pusi reizes. Pēdējie 2023. gada testi par termisko novecošanu parādīja kaut ko diezgan rādītāju: baterijām, kas darbojas pie šīs augstās temperatūras, pēc tikai 150 uzlādes cikliem zaudējās aptuveni 15% ietilpības, savukārt tām, kas uzturētas istabas temperatūrā (apmēram 25°C), samazinājums bija tikai aptuveni 6%. Un pastāv vēl viens jautājums, kas notiek zem virsmas. Kad temperatūra pārsniedz 40 grādus pēc Celsija, šo bateriju iekšējā SEI slānis attīstās trīs reizes ātrāk nekā parasti. Tas nozīmē, ka arvien vairāk litija jonu paliek neatgriezeniski ieslodzīti, pakāpeniski samazinot lietojamā materiāla daudzumu bateriju elementos laika gaitā.
Kad baterijas uzlādē pie temperatūrām zem sasalšanas punkta, notiek kaut kas nepareizi ar litija jonu uzvedību iekšpusē. Vietā, lai pārvietotos uz savām paredzētajām vietām anoda materiālā, tie sāk veidot metāla nogulsnes virsējā slānī. Kas notiek tālāk? Nu, šīs nogulsnes rada problēmas. Tās faktiski palielina īssavienojuma iespējamību aptuveni par 80%, kas ir diezgan nopietni. Turklāt tās izraisa baterijas kopējās ietilpības strauju samazināšanos laika gaitā. Laime, ka tagad ir pieejami diagnostikas rīki, kas atklāj šos agrīnos metāla uzkrāšanās signālus, pirms situācija pasliktinās. Uzņēmumiem, kas risina šo jautājumu, ir bijis jāievieš ļoti stingri noteikumi par to, cik ātri baterijas var uzlādēt aukstā ārējā temperatūrā. Vairums ierobežo maksimālo uzlādes ātrumu līdz 0,2C, kad apkārtējā temperatūra pazeminās zem pieciem grādiem pēc Celsija.
48V litijajons baterijām ir atšķirīgas termiskās īpašības atkarībā no to izmantošanas vietas. Piemēram, elektromobilis, kuru lielākā daļa modeļu šobrīd izmanto netiešo šķidruma dzesēšanu, lai autostāvvietās braukot baterijas palikt zem 40 grādu celsijā. Tas palīdz saglabāt aptuveni 98 procentus no sākotnējās baterijas jaudas pat pēc 1000 pilnas uzlādes ciklu. Taču lietas kļūst sarežģītākas, ja skatās uz atjaunojamās enerģijas uzglabāšanas iekārtām tuksneša reģionos. Šajās sistēmās ilgtermiņā apkārtējās temperatūras pārsniegs 45 grādus Celsiju. Kā tas notika? Baterijas jauda samazinās aptuveni par 12% ātrāk nekā līdzīgas iekārtas, kas atrodas aukstākajos apgabalos. Lai novērstu šos jautājumus, ražotāji ir izstrādāti attīstītas bateriju pārvaldības sistēmas, kas ir saīsinātas ar BMS. Šīs gudras sistēmas automātiski pielāgo uzlādes ātrumu un aktivizē dzesēšanas mehānismus, kad vien atsevišķas šūnas sāk kļūt pārāk karstas, parasti aptuveni 35 grādu celsijā. Ražniecības eksperti uzskata, ka šī tehnoloģija ir ļoti svarīga, lai sarežģītā vidē palielinātu baterijas ilgumu.
Saskaņā ar 2023. gada pētījumu par noliktavu robotiem, baterijām, kuru spriegums ir 48 volti un kuras ikdienā saskaras ar temperatūras svārstībām no mīnus 10 grādiem pēc Celsija līdz pat 50 grādiem pēc Celsija, pēc vieniem 18 mēnešiem zaudēja aptuveni 25 procentus no savas jaudas. Tas ir trīs reizes straujāka degradācija salīdzinājumā ar baterijām, kas glabātas kontrolētās klimata apstākļos. Kad pētnieki izjauca šīs bojātās baterijas tuvākai pārbaudei, tie atklāja problēmas, piemēram, litija plāksnes veidošanos, kad iekārtas startēja aukstos apstākļos, kā arī separatoru saraušanās problēmas, kad temperatūra pārāk augstu paaugstinājās. Apskatot otru pusi, rūpnieciskās baterijas, kas izstrādātas ar termoapgādes pārvaldības sistēmām, faktiski darbojās daudz labāk. Šajās baterijās tika iekļauti speciāli fāžu maiņas materiāli, kas palīdzēja uzturēt elektrisko pretestību diezgan stabili apmēram plus mīnus 3 procentus visās 2000 uzlādes ciklu laikā. Tas skaidri parāda, cik svarīgi ir nodrošināt pienācīgu temperatūras kontroli baterijām, kas darbojas smagos vides apstākļos.
Darbība virs 40°C paātrina degradāciju, samazinot cikla kalpošanas laiku līdz pat 40% salīdzinājumā ar 25°C (Nature 2023). Paaugstinātas temperatūras destabilizē SEI kārtu un veicina termisko sadalīšanos, kas noved pie neatgriezeniskas jaudas zuduma. 45°C baterijas var zaudēt 15–20% no sākotnējās jaudas jau pēc 300 cikliem, jo notiek katoda sadalīšanās un elektrolīta oksidēšanās.
Augstas temperatūras izraisa trīs galvenos atteices ceļus:
Šīs eksotermiskās reakcijas var izraisīt pašuzturīgu kaskādi. Pētījumi rāda, ka katrs 10°C temperatūras pieaugums virs 30°C divkāršo litija plākšņu veidošanās ātrumu uz anoda — galveno iemeslu termiskajai nestabilitātei.
Litija jonu elementi sāk nonākt nopietnās problēmās, kad iekšējā temperatūra sasniedz aptuveni 150 grādus pēc Celsija. Šajā brīdī tie nonāk tā saucamajā termiskajā nestabilitātē — būtībā ķēdes reakcijā, kur radītā siltuma daudzums straujāk pieaug, nekā tas var izkliedēties. Rezultāts? Saskaņā ar dažādiem nozares pētījumiem elementi var izdalīt gāzi, aizdegties vai pat uzsprāgt sekunžu laikā. Tomēr mūsdienu bateriju pārvaldības sistēmas noteikti ir palīdzējušas samazināt šāda veida problēmas. Ražotāji ziņo par gandrīz 97 procentu incidentu skaita samazinājumu kopš 2018. gada, kā norādīts Energy Storage News ziņās pagājušā gada ziņojumā. Tomēr 48 voltu sistēmas ir īpaši jutīgas pret diezgan bīstamiem atteices scenārijiem, tostarp:
| Riska faktors | Ietekmes slieksnis | Secinājums |
|---|---|---|
| Separatora kušana | 130°C | Iekšējā īssavienojums |
| Elektrolīta aizdegšanās | 200°C | Uguns izplatīšanās |
| Katoda sadalīšanās | 250°C | Toksisku gāzu izdalīšanās |
Aktīva dzesēšana un nepārtraukta termo uzraudzība ir būtiskas, lai novērstu katastrofālas sekas augstas temperatūras situācijās.
Litija jonu akumulatori patiešām saskaras ar grūtībām aukstā laikā, jo iekšējie joni saskaras ar lielāku pretestību, kad temperatūra pazeminās. Kad runa ir par kaut ko tādu kā mīnus 20 grādi pēc Celsija (kas ir aptuveni mīnus 4 pēc Fārenheita), akumulatora ietilpība krītas līdz aptuveni 60% no parastās vērtības istabas temperatūrā. Arī spriegums samazinās aptuveni par 30%. Tas ir ļoti svarīgi elektromobiļiem vai saules enerģijas uzglabāšanas sistēmām, kas atrodas ārpus tīkla. Šīm ierīcēm nepieciešama stabila strāva pat tad, kad daba rāda savu visnelabvēlīgāko ziemas laiku, taču aukstais laiks to padara daudz grūtāku sasniegt.
Kad baterijas tiek uzlādētas zemāk par sasalšanas temperatūru (tas ir 32 °F tiem, kas joprojām izmanto Fārenheita skalas), notiek divas lielas problēmas. Pirmkārt, rodas tā saucamais litija pārklājums, kad metāliskais litiums uzkrājas baterijas negatīvajā elektrodā. Tas nav tikai neērti – pētījumi no Battery University rāda, ka katru reizi, kad tas notiek, baterija neatgriezeniski zaudē aptuveni 15 līdz 20% no savas kopējās ietilpības. Tad nāk elektrolīta problēma. Temperatūrās līdz pat mīnus 30 grādiem pēc Celsija šķidrums baterijā kļūst apmēram astoņas reizes biezāks nekā parasti. Iedomājieties, ka mēģināt ieliet medu caur salmiņu tad, kad tam vajadzētu brīvi plūst. Biezāks elektrolīts padara jonu pārvietošanos ļoti grūtu, tāpēc baterija faktiski netiek pilnībā uzlādēta. Lielākā daļa rūpniecisko bateriju sistēmu ir aprīkota ar iebūvētiem sildītājiem vai citiem temperatūras kontroles mehānismiem, lai to novērstu. Bet parastie patērētāju lādētāji? Tiem parasti nav šādu drošības pasākumu, kas izskaidro, kāpēc tik daudzi cilvēki beigās bojā savas baterijas, pat nepamanot to.
Lauka pārbaudēs redzams, ka Arktikas enerģētiskajās iekārtās termoregulēti korpusi pagarināja cikla mūžu par 23% salīdzinājumā ar nekontrolētām sistēmām.
48 V litija jonu bateriju optimālais darbības diapazons ir no 20°C līdz 30°C (68°F līdz 86°F), kā apstiprinājuši 2025. gada nozares pētījumi elektriskajā aviācijā. Temperatūrā zem 15°C lietojamā kapacitāte samazinās par 20–30%; ilgstoša darbība virs 40°C paātrina elektrolīta sadalīšanos četrkārt salīdzinājumā ar istabas temperatūru.
Mūsdienu BMS integrē distributīvus temperatūras sensorus un adaptīvos algoritmus, lai uzturētu siltuma līdzsvaru. 2021. gada daudzslāņu dizaina pētījums parādīja, ka uzlabotās BMS, izmantojot dinamisku slodzes sadalījumu un uzlādes ātruma modulāciju, samazina siltuma gradients iepakojumā par 58%.
Mūsdienu inženieri izmanto fāžu maiņas materiālus, kas spēj uzkrāt aptuveni 140 līdz 160 kilodžoulos kilogramā, kad notiek pēkšņs siltuma pieaugums, kombinācijā ar keramikas izolācijas kārtām, kuras gandrīz nemaz nevada siltumu (tikai 0,03 vatus uz metru Kelveinā). Šķidrā dzesēšanas plāksnes arī palīdz uzturēt zemu temperatūru, nodrošinot, ka virsmas temperatūra nepaaugstinās vairāk kā par 5 grādiem Celsija pat intensīvos 2C ātrās uzlādes režīmos, kas izturēja termisko stabilitātes testus pagājušajā gadā. Visi šie dažādie komponenti, kas darbojas kopā, nozīmē, ka baterijas vienmērīgi labi darbojas neatkarīgi no laikapstākļiem vai ekspluatācijas apstākļiem, ar kādiem tās saskaras tieši uz vietas.