EN
Hitri povezave
Delovanje litij-ionskih baterij močno odvisno od tega, kako temperatura vpliva na kemične reakcije znotraj njih. Ko se temperatura dvigne za samo 10 stopinj Celzija nad sobno temperaturo (to je približno 77°F), se ioni znotraj baterije premikajo 40 do 50 odstotkov hitreje. To izboljša prevodnost baterije, vendar lahko sčasoma povzroči razpad posameznih delov. Še huje so stvari, ko temperatura preseže 70°C (približno 158°F). V tem trenutku začne razpadati plast, imenovana trdna elektrolitska medfazna plast (SEI), ki ima pomembno zaščitno vlogo pri varstvu elektrod. Ko ta plast odpove, baterija trajno izgubi zmogljivost. Z drugo stranjo, tudi mrzla vremena povzročajo težave. Pod 5°C (približno 41°F) postane tekočina znotraj baterije veliko bolj gosta, zaradi česar imajo ioni težave pri premikanju skozi njo. To pomeni manj razpoložljive moči, kar ustreza približno 15 do 30 odstotkov zmanjšanju dejanske dostopne energije.
Ko temperature padajo pod mero, baterije naletijo na nekaj resnih izzivov. Elektrolit znotraj baterije postane veliko bolj gosten pri približno -20 stopinjah Celzija (-4 Fahrenheit), kar poveča njegovo viskoznost za 300 do 500 odstotkov. Hkrati zmogljivost baterije za sprejemanje naboja strmoglavlja za približno 60 %. Skupaj ti problemi povzročita, da se notranji upor poveča za 200 do 400 odstotkov v primerjavi z normalnimi sobnimi temperaturami. Posledično morajo sistemi s 48-voltnimi litij-ionskimi baterijami vložiti dodatno trudo, le da bi pravilno delovali. Če pogledamo dejanske podatke o učinkovitosti električnih avtomobilov, ki delujejo v arktičnih razmerah, ugotovimo še nekaj zaskrbljujočega. Vozniki poročajo, da zaradi vseh teh skupnih težav izgubijo skoraj četrtino svojega običajnega dosega, kar kaže raziskava, objavljena leta 2023 s strani Elektrokemijske družbe.
Ko baterije predolgo počivajo v vročih okoljih okoli 45 stopinj Celzija (to je približno 113 stopinj Fahrenheita), se začnejo razpadati hitreje kot običajno. Življenjska doba se skrajša približno dvakrat in pol v primerjavi s shranjevanjem v idealnih pogojih. Nedavni testi iz leta 2023 o toplotnem staranju so pokazali nekaj zelo pomembnega: baterije, ki delujejo pri tej visoki temperaturi, so izgubile približno 15 % svoje zmogljivosti že po 150 ciklusih polnjenja, medtem ko so tiste, ki so bile ohranjene pri sobni temperaturi (okoli 25 °C), izgubile le približno 6 %. Obstaja pa še en problem, ki poteka pod površjem. Ko temperature presežejo 40 stopinj Celzija, se SEI plast znotraj teh baterij razvija trikrat hitreje kot običajno. To pomeni, da se več litijevih ionov za vedno ujameta, kar s časom postopoma zmanjšuje količino uporabnega materiala znotraj celic baterije.
Ko se baterije polnijo pri temperaturah pod lediščem, pride do motenj v obnašanju litijevih ionov znotraj njih. Namesto da bi se premaknili na svoja prava mesta v materialu anode, začnejo tvoriti kovinske usedline na površini. Kaj se zgodi nato? Te usedline povzročajo težave. Dejansko povečajo verjetnost kratkih stikov za okoli 80 %, kar je precej resno. Poleg tega povzročajo hitrejši padec skupne zmogljivosti baterije s časom. Na srečo so danes na voljo diagnostični orodja, ki zaznajo te zgodnje znake kovinskega nakopičevanja, še preden se stanje poslabša. Podjetja, ki se spopadajo s tem problemom, so morala uvesti zelo stroge pravilnike o tem, kako hitro se lahko baterije polnijo, ko je zunaj hladno. Večina določi največje stopnje polnjenja največ 0,2C, kadar temperature okolice padeta pod pet stopinj Celzija.
Toplotno obnašanje litij-ionskih baterij 48 V se precej razlikuje glede na to, kje se uporabljajo. Vzemimo za primer električna vozila: večina modelov danes uporablja posredno hladjenje s tekočino, da ohranja sklope baterij pod 40 stopinj Celzija med vožnjo po avtocestah. To pomaga ohraniti okoli 98 odstotkov prvotne zmogljivosti baterije, tudi po 1000 polnih ciklusih polnjenja. Stvari postanejo bolj zapletene, ko pogledamo sisteme za shranjevanje energije iz obnovljivih virov, nameščene v puščavskih regijah. Ti sistemi so izpostavljeni daljšim obdobjem z okoljskimi temperaturami, ki presegajo 45 stopinj Celzija. Kako je to? Zmogljivost baterij se zmanjša približno 12 % hitreje v primerjavi s podobnimi enotami, postavljenimi v hladnejših predelih. Za boj proti tem težavam so proizvajalci razvili napredne sisteme za upravljanje baterij, imenovane tudi BMS. Ti pametni sistemi samodejno prilagajajo hitrost polnjenja in vklopijo mehanizme za hlajenje, kadar posamezne celice začnejo prevro, običajno okoli 35 stopinj Celzija. Strokovnjaki v industriji to obravnavajo kot ključno tehnologijo za podaljšanje življenjske dobe baterij v zahtevnih okoljih.
Glede na raziskavo iz leta 2023 o skladiščnih robotih so baterije z napetostjo 48 voltov, ki so se vsakodnevno soočale s temperaturnimi spremembami od minus 10 stopinj Celzija do kar 50 stopinj Celzija, po le 18 mesecih izgubile okoli 25 odstotkov svoje moči. To pomeni trikrat hitrejše poslabšanje v primerjavi z baterijami, ki so shranjene v nadzorovanih klimatskih razmerah. Ko so raziskovalci razstavili te pokvarjene baterije za podrobnejši pregled, so odkrili težave, kot je litijevо prevlekanje, ki nastane, ko se naprave prižetejo v hladnih pogojih, ter težave s krčenjem separatorjev ob previsokih temperaturah. Če pogledamo drugo stran, so industrijske baterije, zasnovane s sistemom upravljanja temperature, delovale veliko bolje. Te so vključevale posebne materiale za fazni prehod, ki so pomagali ohraniti električno upornost dokaj stabilno, okoli plus ali minus 3 odstotka, skozi 2000 ciklov polnjenja. To jasno kaže, kako pomembno je zagotoviti ustrezno temperaturno regulacijo za baterije, ki delujejo v težkih okoljskih pogojih.
Delovanje nad 40 °C pospešuje degradacijo, zaradi česar se ciklični življenjski dobitak zmanjša do 40 % v primerjavi s 25 °C (Nature 2023). Povišane temperature destabilizirajo SEI plast in spodbujajo toplotno razgradnjo, kar vodi do nepopravljive izgube zmogljivosti. Pri 45 °C baterije že po 300 ciklusih izgubijo 15–20 % svoje začetne zmogljivosti zaradi razpada katode in oksidacije elektrolita.
Visoke temperature sprožijo tri glavne poti okvare:
Te eksotermne reakcije lahko ustvarijo samoodvijajoči se verižni učinek. Raziskave kažejo, da se pri vsakem povečanju temperature za 10 °C nad 30 °C podvoji hitrost nastajanja litijeve prevleke na anodi – ključnega predhodnika toplotnega bežanja.
Celice litijevega iona začnejo imeti resne težave, ko notranje temperature dosežejo približno 150 stopinj Celzija. V tem trenutku vstopijo v tako imenovano toplotno bežanje, kar je pravzaprav verižna reakcija, pri kateri se sproščena toplota kopiči hitreje, kot jo sistem lahko izgubi. Posledice? Po različnih raziskavah iz industrije celice lahko izpustijo plin, zagorijo ali celo eksplodirajo v nekaj sekundah. Modernejši sistemi upravljanja z baterijami so te vrste težav nedvomno znatno zmanjšali. Proizvajalci poročajo o zmanjšanju takšnih incidentov za skoraj 97 odstotkov od leta 2018, kar navaja Energy Storage News iz lanskega leta. Vseeno pa so sistemi 48 voltov še posebej ranljivi za nekaj zelo nevarnih scenarijev okvar, vključno z:
| Faktor tveganja | Prag udarca | Posledica |
|---|---|---|
| Taljenje separatorja | 130°C | Notranji kratek stik |
| Vžig elektrolita | 200°C | Širjenje plamena |
| Razgradnja katode | 250°C | Sproščanje strupenih plinov |
Aktivno hlajenje in neprekinjeno spremljanje temperature sta nujna za preprečevanje katastrofalnih posledic v primeru visoke temperature.
Litij-ionske baterije imajo pri nizkih temperaturah res težave, ker ioni znotraj baterije naletijo na večjo upornost, ko se temperatura zniža. Ko govorimo o temperaturi okoli minus 20 stopinj Celzija (kar je približno minus 4 stopinje Fahrenheita), zmogljivost baterije strmoglavlja na okoli 60 % njene običajne vrednosti pri sobni temperaturi. Tudi napetost močno upade, približno za 30 %. To je zelo pomembno za naprave, kot so električna vozila ali sončni sistemi za shranjevanje energije, ki delujejo brez priključka na omrežje. Te naprave potrebujejo stabilno oskrbo z energijo tudi takrat, ko narava posreduje najhujše zimske razmere, v hladnem vremenu pa je to veliko težje doseči.
Ko se baterije polnijo pod lediščem (to je 32 °F za tiste, ki še vedno uporabljajo Fahrenheit), se pojavita dva velika problema. Prvič, pride do nečesa, kar imenujemo litijev premaz, pri čemer se kovinski litij nabira na negativni elektrodi baterije. To ni le nadležno – raziskave s spletišča Battery University kažejo, da baterija ob vsakem takem dogodku trajno izgubi približno 15 do 20 % svoje skupne kapacitete. Nato imamo še težavo z elektrolitom. Pri temperaturah do minus 30 stopinj Celzija postane tekočina znotraj baterije približno osemkrat bolj gosta kot običajno. Predstavljajte si, da poskušate med izlivati skozi slamico, kadar bi morala prosto teči. Zgoščeni elektrolit naredi ionom res veliko težavo pri prostem gibanju, zato se baterija dejansko ne napolni v celoti. Večina industrijskih sistemov za baterije ima vgrajene grelne elemente ali druge regulacije temperature, da se temu prepreči. Ampak navadni potrošniški polnili? Ti običajno nimajo takšnih varnostnih ukrepov, kar pojasnjuje, zakaj toliko ljudi konča s poškodovanimi baterijami, ne da bi sploh vedeli, kaj so naredili.
Izkušnje na terenu kažejo, da termično regulirana ohišja v arktičnih energetskih napravah podaljšajo življenjsko dobo cikla za 23 % v primerjavi s sistemih brez upravljanja.
Optimalno delovno območje za 48V litijevo-ionske baterije je med 20°C in 30°C (68°F do 86°F), kar potrjujejo raziskave industrije iz leta 2025 na področju električnega letalstva. Pri temperaturah pod 15°C se uporabna kapaciteta zmanjša za 20–30 %; daljši obrat pri temperaturah nad 40°C pospeši razgradnjo elektrolita štirikrat v primerjavi s sobno temperaturo.
Sodobni BMS vključujejo porazdeljene temperaturne senzorje in prilagodljive algoritme za ohranjanje toplotne ravnovesja. Raziskava večplastne konstrukcije iz leta 2021 je pokazala, da napredni BMS z dinamičnim porazdeljevanjem obremenitve in prilagajanjem hitrosti polnjenja zmanjšajo notranje temperaturne gradientne razlike v paketu za 58 %.
Sodobnji inženirji uporabljajo materiale za spremembo faze, ki lahko absorbirajo približno 140 do 160 kilodžulov na kilogram ob nenadnem povečanju toplote, v kombinaciji s keramičnimi izolacijskimi sloji, ki skoraj ničelno prevajajo toploto (le 0,03 vatov na meter kelvina). Tekoče hladilne plošče prav tako ohranjajo nizke temperature in zagotavljajo, da se površinska temperatura ne poveča za več kot 5 stopinj Celzija celo med intenzivnimi sejami hitrega polnjenja 2C, ki so uspešno opravile preizkuse toplotne stabilnosti lansko leto. Vsi ti različni sestavni deli, ki delujejo skupaj, pomenijo, da baterije dosledno dobro delujejo, ne glede na vremenske razmere ali obratovalne pogoje, s katerimi se srečujejo v terenu.