EN
Швидкі посилання
Принцип роботи літій-іонних акумуляторів значною мірою залежить від того, як температура впливає на їхні внутрішні хімічні реакції. Коли температура підвищується лише на 10 градусів Цельсія порівняно з кімнатною (близько 77°F), іони всередині рухаються на 40–50 відсотків швидше. Це поліпшує електропровідність акумулятора, але може призводити до поступового руйнування його компонентів. Ситуація значно погіршується, коли температура перевищує 70°C (приблизно 158°F). У цей момент починає руйнуватися так званий шар твердого електроліту (SEI). Це захисне покриття має вирішальне значення для захисту електродів, тому після його руйнування акумулятор назавжди втрачає ємність. З іншого боку, холодна погода теж створює проблеми. При температурі нижче 5°C (близько 41°F) рідина всередині акумулятора стає значно густішою, ускладнюючи рух іонів. Це означає меншу доступну потужність — приблизно на 15–30 відсотків знижується те, що акумулятор може фактично віддавати.
Коли температура опускається нижче точки замерзання, акумулятори стикаються з серйозними труднощами. Електроліт всередині значно загущується приблизно при -20 градусах Цельсія (-4 Фаренгейта), збільшуючи свою в'язкість на 300–500 відсотків. У той самий час здатність акумулятора приймати заряд знижується приблизно на 60%. Разом ці проблеми призводять до того, що внутрішній опір зростає на 200–400 відсотків у порівнянні зі звичайними кімнатними температурами. Як наслідок, системам літій-іонних акумуляторів потрібно докладати додаткових зусиль, щоб просто нормально функціонувати. Аналіз реальних показників електромобілів, що працюють в арктичних умовах, також виявив досить тривожну тенденцію. За даними дослідження, опублікованого Електрохімічним товариством у 2023 році, водії повідомляють про втрату майже чверті свого звичайного запасу ходу через усі ці поєднані проблеми.
Коли акумулятори довго перебувають у гарячому середовищі з температурою близько 45 градусів Цельсія (це приблизно 113 градусів за Фаренгейтом), вони починають швидше руйнуватися, ніж зазвичай. Термін їхнього життя скорочується приблизно вдвічі з половиною порівняно з експлуатацією в ідеальних умовах. Останні тести 2023 року щодо термічного старіння показали досить показовий результат: акумулятори, що працювали за такої високої температури, втратили близько 15% своєї ємності всього після 150 циклів зарядки, тоді як ті, що зберігалися при кімнатній температурі (приблизно 25°C), втратили лише близько 6%. І є ще одна проблема, яка відбувається під поверхнею. Як тільки температура піднімається вище 40 градусів Цельсія, шар SEI всередині цих акумуляторів зростає втричі швидше, ніж зазвичай. Це означає, що все більше іонів літію назавжди застрягає, поступово зменшуючи кількість корисного матеріалу всередині елементів акумулятора з часом.
Коли акумулятори заряджаються при температурах нижче точки замерзання, відбувається порушення поведінки іонів літію всередині них. Замість того, щоб переміщатися на свої правильні місця в матеріалі аноду, вони починають утворювати металеві відкладення на поверхні. Що відбувається далі? Ці відкладення створюють проблеми. Вони фактично збільшують імовірність короткого замикання приблизно на 80%, що є досить серйозним. Крім того, вони призводять до швидшого зниження загальної ємності акумулятора з часом. На щастя, сьогодні існують діагностичні інструменти, які виявляють ці ранні ознаки накопичення металу ще до того, як ситуація погіршиться. Компанії, які мають справу з цією проблемою, змушені були ввести дуже суворі правила щодо швидкості заряджання акумуляторів у холодну погоду. Більшість із них встановлюють максимальну швидкість заряджання не вище 0,2C, коли температура навколишнього середовища опускається нижче п’яти градусів Цельсія.
Теплове поведінка акумуляторів 48 В із литієвими іонами значно варіюється залежно від місця їх використання. Наприклад, у електромобілях більшість сучасних моделей використовують непряме рідинне охолодження, щоб підтримувати температуру блоків акумуляторів нижче 40 градусів Цельсія під час руху автострадою. Це допомагає зберегти близько 98 відсотків початкової ємності акумулятора, навіть після проходження 1000 повних циклів зарядки. Проте ситуація ускладнюється, коли йдеться про системи зберігання енергії від поновлюваних джерел, розташовані в пустельних регіонах. Ці системи стикаються з тривалими періодами, коли температура навколишнього середовища піднімається вище 45 градусів Цельсія. Який результат? Ємність акумуляторів зазвичай погіршується приблизно на 12% швидше порівняно з аналогічними пристроями, розташованими в прохолодніших районах. Щоб протидіяти цим проблемам, виробники розробили передові системи управління акумуляторами, або BMS, як їх коротко називають. Ці розумні системи автоматично регулюють швидкість зарядки та запускають механізми охолодження, коли окремі елементи починають перегріватися, зазвичай біля позначки 35 градусів Цельсія. Експерти галузі вважають цю технологію критично важливою для подовження терміну служби акумуляторів у складних умовах.
Згідно з дослідженням 2023 року, що стосується роботів на складах, акумулятори потужністю 48 вольт, які щодня піддавалися температурним коливанням від мінус 10 градусів Цельсія до плюс 50 градусів Цельсія, втратили близько 25 відсотків своєї потужності всього за 18 місяців. Це утричі швидше, ніж деградація акумуляторів, що експлуатуються в контрольованих кліматичних умовах. Коли дослідники розібрали ці вийшовші з ладу акумулятори для детального огляду, вони виявили такі проблеми, як утворення літієвого шару під час запуску пристроїв за низьких температур, а також скорочення роздільників при різкому підвищенні температури. З іншого боку, промислові акумулятори, розроблені з системами терморегулювання, показали значно кращі результати. Вони містили спеціальні матеріали з фазовим переходом, які допомогли підтримувати їхній електричний опір майже сталим — у межах ±3 відсотки — протягом 2000 циклів зарядки. Це чітко демонструє, наскільки важливо забезпечувати належний температурний контроль для акумуляторів, що працюють в умовах жорсткого навколишнього середовища.
Експлуатація при температурах вище 40°C прискорює деградацію, скорочуючи кількість циклів до 40% порівняно з 25°C (Nature 2023). Підвищені температури зумовлюють нестабільність SEI-шару та сприяють термічному розкладанню, що призводить до незворотної втрати ємності. При 45°C акумулятори можуть втратити 15–20% початкової ємності протягом 300 циклів через руйнування катоду та окиснення електроліту.
Високі температури запускають три основні шляхи відмови:
Ці екзотермічні реакції можуть призводити до самопідтримуваного каскаду. Дослідження показують, що кожне підвищення температури на 10°C понад 30°C подвоює швидкість утворення літієвого покриття на аноді — ключового передвісника теплового виходу з-під контролю.
Літій-іонні елементи починають потрапляти в серйозну небезпеку, коли температура всередині досягає близько 150 градусів Цельсія. У цей момент вони переходять у стан так званого теплового виходу з-під контролю — по суті, ланцюгової реакції, при якій виділення тепла продовжує зростати швидше, ніж воно може розсіятися. Наслідки? Згідно з різними дослідженнями галузі, елементи можуть викидати газ, займатися або навіть вибухати за лічені секунди. Сучасні системи управління батареями, безумовно, допомогли значно зменшити кількість таких проблем. Виробники повідомляють про зниження майже на 97 відсотків кількості таких інцидентів з 2018 року, згідно з Energy Storage News минулого року. Проте системи 48 вольт особливо схильні до деяких досить небезпечних сценаріїв відмов, зокрема:
| Фактор ризику | Поріг удару | Наслідки |
|---|---|---|
| Розплавлення сепаратора | 130°C | Внутрішнє коротке замикання |
| Займання електроліту | 200°C | Поширення полум'я |
| Розклад катоду | 250°C | Виділення токсичних газів |
Активне охолодження та постійний термоконтроль є обов’язковими для запобігання катастрофічним наслідкам у випадках сильного нагрівання.
Літій-іонні акумулятори дуже погано працюють при низьких температурах, оскільки іони всередині стикаються з більшим опором із зниженням температури. Коли мова йде про таку температуру, як мінус 20 градусів Цельсія (що становить близько мінус 4 за Фаренгейтом), ємність акумулятора різко знижується до приблизно 60% від його звичайного значення при кімнатній температурі. Напруга також знижується, приблизно на 30%. Це має велике значення для таких пристроїв, як електромобілі чи системи сонячного зберігання енергії, розташовані поза електромережею. Цим пристроям потрібна стабільна подача енергії навіть тоді, коли природа випробовує їх найгіршою зимовою погодою, але холодна погода ускладнює досягнення цього.
Коли акумулятори заряджаються нижче точки замерзання (це 32 °F для тих, хто все ще використовує шкалу Фаренгейта), виникають дві великі проблеми. По-перше, відбувається так зване літієве покриття, коли металевий літій накопичується на негативному електроді акумулятора. І це не просто незручно — дослідження з Battery University показують, що кожного разу, коли це відбувається, акумулятор назавжди втрачає близько 15–20% своєї загальної ємності. Друга проблема — електроліт. При температурах до мінус 30 градусів Цельсія рідина всередині акумулятора стає приблизно в вісім разів густішою, ніж зазвичай. Уявіть, що намагаєтеся протягнути мед через соломинку, тоді як він має вільно текти. Загущений електроліт ускладнює правильний рух іонів, тому акумулятор фактично не заряджається повністю. Більшість промислових систем акумуляторів оснащено вбудованими нагрівальними елементами або іншими засобами регулювання температури, щоб запобігти цим проблемам. А ось звичайні побутові зарядні пристрої? Вони зазвичай не мають таких запобіжних заходів, що пояснює, чому багато людей пошкоджують свої акумулятори, навіть не усвідомлюючи цього.
Польові випробування показали, що корпуси з терморегулюванням на енергетичних установках в Арктиці подовжують термін циклу на 23% порівняно з системами без управління.
Оптимальний робочий діапазон для літій-іонних акумуляторів 48 В становить від 20°C до 30°C (68°F до 86°F), що підтверджено дослідженнями галузі 2025 року в сфері електричної авіації. При температурі нижче 15°C доступна ємність знижується на 20–30%; тривала робота понад 40°C прискорює розкладання електроліту в чотири рази порівняно з кімнатною температурою.
Сучасні BMS інтегрують розподілені датчики температури та адаптивні алгоритми для підтримання теплового балансу. Дослідження багаторівневої конструкції 2021 року показало, що передові системи BMS зменшують температурні градієнти всередині блоку на 58% за рахунок динамічного розподілу навантаження та модуляції швидкості зарядки.
Сучасні інженери використовують матеріали зі зміною фази, які можуть поглинати близько 140–160 кілоджоулів на кілограм під час раптового сплеску тепла, разом із шарами керамічної теплоізоляції, що майже не проводять тепло (лише 0,03 Вт на метр Кельвіна). Рідинні охолоджувальні пластини також допомагають підтримувати прохолоду, забезпечуючи, щоб температура поверхні підвищувалася не більше ніж на 5 градусів Цельсія навіть під час інтенсивних сеансів швидкого заряджання 2C, які пройшли перевірку в тестах термічної стабільності минулого року. Усі ці компоненти, що працюють разом, гарантують стабільну продуктивність акумуляторів незалежно від погодних умов чи режимів експлуатації в реальних умовах.