EN
Brzi linkovi
Начин на који литијум-јонске батерије функционишу у великој мери зависи од тога како температура утиче на њихове унутрашње хемијске реакције. Када температура порасте само за 10 степени Целзијуса изнад собне температуре (то је око 77°F), јони унутар батерије се крећу 40 до 50 процената брже. Ово побољшава електричну проводност батерије, али може довести до временског распадања компоненти. Ствари се значајно погоршавају када температура премаши 70°C (око 158°F). У том тренутку почиње да се распада слој познат као интерфејс чврстог електролита или SEI слој. Ова заштитна облога има кључну улогу у очувању електрода, па када буде уништена, батерија трајно губи капацитет. С друге стране, хладно време такође изазива проблеме. На температурама испод 5°C (око 41°F), течност унутар батерије постаје знатно гушћа, услед чега јонима је тешко да се крећу кроз њу. То значи мање доступне снаге, приближно смањење између 15 и 30 процената у односу на то колико батерија заправо може да испоручи.
Када температура падне испод тачке замрзавања, батерије сусрећу се са неколико озбиљних изазова. Електролит унутар батерије постаје знатно гушћи на око -20 степени Целзијуса (-4 Фаренхајта), чиме му се вискозност повећава између 300 и 500 процената. У исто време, способност батерије да прими набој опада за око 60%. Заједно, ови проблеми узрокују експлозивни пораст унутрашњег отпора за 200 до 400 процената у односу на услове нормалне собне температуре. Као последица тога, системи напона од 48 волти морају да уложе додатни напор само да би правилно функционисали. Анализа стварних података о перформансама електромобила који раде у арктичким условима открива још једну забринутост. Возачи пријављују губитак скоро четвртине своје уобичајене дometнине услед свих ових комбинованих проблема, према истраживању објављеном од стране Електрохемијског друштва 2023. године.
Када се батерије превише дуго налазе у врућим условима око 45 степени Celziјуса (то је око 113 Фаренхајта), почињу да се распадају брже од нормалног. Век трајања се скраћује отприлике два и по пута у поређењу са идеалним условима. Недавни тестови из 2023. године о термичком старењу показали су нешто прилично показно: батерије које раде на овој високој температури изгубиле су око 15% капацитета након само 150 циклуса пуњења, док су оне које су одржаване на собној температури (око 25°C) изгубиле само око 6%. А постоји још један проблем који се дешава испод површине. Када температура премаши 40 степени Целзијуса, СЕИ слој унутар ових батерија расте три пута брже него обично. То значи да је све више јона литијума трајно заробљено, полако смањујући количину употребљивог материјала унутар ћелија батерије са протоком времена.
Када се батерије пуне на температурама испод тачке мржњења, појављује се проблем у понашању јона литијума унутар њих. Уместо да се крећу на своја предвиђена места у материјалу аноде, они почну да формирају металне депозите на површини. Шта се дешава затим? Па, ови депозити стварају проблеме. Заправо, повећавају шансе за кратке спојеве за око 80%, што је прилично озбиљно. Поред тога, узрокују брже смањење укупног капацитета батерије током времена. На срећу, данас постоје дијагностички алати који откривају ове ране знакове накупљања метала пре него што ситуација постане лоша. Компаније које се баве овим проблемом морале су да успоставе веома строга правила о томе колико брзо се батерије могу пуњети када је хладно напољу. Већина поставља максималне брзине пуњења на вредност од највише 0,2C кад год спољашња температура падне испод пет степени Целзијуса.
Термално понашање 48V литијум-јонских батерија доста варира у зависности од тога где се користе. Узмимо електрична возила као пример — већина модела данас се ослања на индиректно хлађење течностима како би одржала пакете батерија испод 40 степени Celziјуса док се вози аутопутем. Ово помаже да се очува око 98 процената оригиналног капацитета батерије, чак и након 1000 пуне циклусне промене пуњења. Ствари постају компликованије када се погледају инсталације за складиштење енергије из обновљивих извора које се налазе у пустињским регионима. Ови системи су подложни продуженим периодима када спољашња температура прелази 45 степени Целзијуса. Какав је резултат? Деградација капацитета батерије је око 12% бржа у односу на сличне уређаје смештене у хладнијим подручјима. Да би се суочили са овим проблемима, произвођачи су развили напредне системе управљања батеријама, познате и као BMS. Ови паметни системи аутоматски прилагођавају брзину пуњења и активирају механизме хлађења чим појединачне ћелије почну да се превише загревају, обично око 35 степени Целзијуса. Стручњаци из индустрије ово виде као кључну технологију за продужење векa трајања батерија у захтевним условима.
Према студији из 2023. године која је анализирала роботе у складиштима, батерије са номиналним напоном од 48 волти које су дневно подложне променама температуре од минус 10 степени целзијуса до плус 50 степени целзијуса изгубиле су око 25 процената своје снаге након само 18 месеци. То је троструко брже деградирање у поређењу са батеријама које се чувају у контролисаним климатским условима. Кад су истраживачи разградили ове покварене батерије ради детаљнијег прегледа, открили су проблеме као што је литијумско плочице које настају када се машине пале у ниским температурама, као и проблеме са смањивањем сепаратора када температура превише порасте. Са друге стране, индустријске батерије дизајниране са системима за управљање топлотом показале су знатно боље перформансе. Ове су користиле посебне материјале са променом фазе који су помогли да се електрични отпор задржи прилично стабилним, у оквиру плус-минус 3 процента, током 2000 циклуса пуњења. Ово јасно показује колико је важно одржавати одговарајућу контролу температуре код батерија које раде у тешким спољашњим условима.
Рад на температурама изнад 40°C убрзава деградацију, смањујући број циклуса чак до 40% у односу на 25°C (Nature 2023). Повишене температуре деонстабилизују СЕИ слој и подстичу топлотну дисоцијацију, што доводи до неповратног губитка капацитета. На 45°C, батерије могу изгубити 15–20% своје почетне капацитивности у оквиру 300 циклуса због распадања катоде и оксидације електролита.
Високе температуре покрећу три примарна пута квара:
Ове егзотермне реакције могу изазвати самодржећи ланчани процес. Истраживања показују да сваких додатних 10°C изнад 30°C удвостручује брзину литијумског таложења на аноди — кључни предходник термичког врелишта.
Јонско-литијумске ћелије ступају у сериозне проблеме када температура унутра достигне око 150 степени Целзијуса. У том тренутку долази до такозваног термичког врелишта, суштински ланчана реакција при којој се генерисана топлота нагомилава брже него што може да отпушта. Последице? Према различитим студијама из индустрије, ћелије могу испустити гас, запалити се или чак експлодирати у току неколико секунди. Модерни системи управљања батеријама значајно су умањили ове проблеме. Произвођачи наводе смањење скоро 97 посто у таквим инцидентима од 2018. године, према подацима са Energy Storage News прошле године. Ипак, 48-волтни системи посебно су осетљиви на неке веома опасне сценарије кварова укључујући:
| Faktor rizika | Праг удара | Последица |
|---|---|---|
| Taljenje separatora | 130°C | Unutrašnja kratka spojnica |
| Varenje elektrolita | 200°C | Propagacija plamena |
| Razlaganje katode | 250°C | Oslobađanje toksičnih gasova |
Aktivno hlađenje i kontinuirano praćenje temperature od suštinskog su značaja za sprečavanje katastrofalnih posledica u uslovima visoke temperature.
Litijum-jonske baterije imaju velike poteškoće na niskim temperaturama, jer joni unutar baterije nailaze na veći otpor kako se temperatura snižava. Kada govorimo o temperaturi od oko minus 20 stepeni Celzijusovih (što je otprilike minus 4 Farenhajta), kapacitet baterije drastično opadne na oko 60% u odnosu na normalni kapacitet na sobnoj temperaturi. Napon takođe pada, smanjujući se za približno 30%. Ovo je od velikog značaja za uređaje poput električnih automobila ili sistema za skladištenje energije iz solarne energije koji rade izvan mreže. Ovim uređajima je potrebna stabilna snaga čak i kada priroda pošalje najgora zimska vremena, ali hladno vreme to čini znatno težim za ostvariti.
Када се батерије пуње испод тачке замрзавања (то је 32°F за оне који и даље користе Фаренхајт), дешавају се у основи два велика проблема. Прво, дешава се нешто што се зове литијумско плочање, када се метални литијум накупља на негативној електроди батерије. Ово није само досадно – студије са Battery University-а показују да сваки пут када се ово деси, батерија трајно изгуби око 15 до 20% своје укупне капацитете. Затим имамо проблем са електролитом. На температурама ниских као минус 30 степени Целзијуса, течност унутар батерије постане отприлике осам пута гушћа од нормалног. Замислите да покушавате да просипате мед кроз сламку када би требало слободно да тече. Загушћени електролит чини веома тешким да се јони правилно крећу, па се батерија заправо не напуни потпуно. Већина индустријских система за пуњење батерија долази с уграђеним грејним елементима или другим контролама температуре како би се спречила ова хаотична ситуација. Али обични пуњачи за потрошаче? Они обично немају никакве такве безбедносне мере, што објашњава зашто толико много људи заврши са оштећеним батеријама, а да чак ни не знају.
Испитивања у терену показују да термално регулисана кућишта у арктичким енергетским инсталацијама продужују век циклуса за 23% у односу на системе без управљања.
Оптимални радни опсег за 48V литијум-јонске батерије је 20°C до 30°C (68°F до 86°F), што потврђују студије из 2025. године у индустрији електричне авијације. Испод 15°C, употребљив капацитет опада за 20–30%; трајно радно стање изнад 40°C убрзава разградњу електролита четири пута у односу на собну температуру.
Савремени BMS интегришу дистрибуиране сензоре температуре и адаптивне алгоритме како би одржали термалну равнотежу. Студија вишеслојне конструкције из 2021. показала је да напредни BMS смањују термалне градијенте унутар пакета за 58% кроз динамичку расподелу оптерећења и модулацију брзине пуњења.
Savremeni inženjeri koriste materijale koji menjaju fazu i koji mogu apsorbovati oko 140 do 160 kilodžula po kilogramu u slučaju naglog skoka temperature, u kombinaciji sa slojevima keramičke izolacije koja skoro uopšte ne provodi toplotu (samo 0,03 vata po metru kelvin). Ploče za tečno hlađenje takođe održavaju niske temperature, osiguravajući da se površinska temperatura ne podigne više od 5 stepeni Celzijusovih čak i tokom intenzivnih sesija brzog punjenja na 2C, koje su uspešno prošle testove termalne stabilnosti prošle godine. Svi ovi različiti komponenti koji rade zajedno obezbeđuju konzistentno visok nivo performansi baterija bez obzira na vremenske prilike ili radne uslove s kojima se susreću u praksi.