Proč lithium-iontové baterie nefungují tak dobře v mrazu? Vysvětluje výzkumník baterií.

Wesley Chang je odborným asistentem strojního inženýrství a mechaniky na Drexelská univerzita.


Dobíjecí baterie jsou skvělé pro ukládání energie a napájení elektroniky od chytrých telefonů až po elektromobily. V chladném prostředí se však mohou obtížněji nabíjet a mohou se dokonce vznítit.

Jsem profesor strojního inženýrství, který se od vysoké školy zajímá o baterie. Nyní vedu výzkumnou skupinu baterií na Drexel University.

Právě v tomto posledním desetiletí jsem sledoval, jak cena lithium-iontových baterií klesá, protože výrobní trh se mnohem rozrostl. Budoucí projekce předpovídají, že trh by mohl do roku 2030 dosáhnout tisíců GWh ročně, což je významný nárůst.

Lithium-iontové baterie však nejsou dokonalé – tento nárůst přichází s riziky, jako je jejich tendence zpomalovat se během chladného počasí a dokonce se vznítit.

Důkazy shromážděné newyorským hasičským sborem o požárech způsobených lithium-iontovými bateriemi. prosince 2023.

Zprávy CBS


Za Li-ion baterií

Elektrochemické ukládání energie v bateriích funguje tak, že se elektřina ukládá ve formě iontů. Ionty jsou atomy, které mají nenulový náboj, protože mají buď příliš mnoho nebo málo elektronů.

Když připojíte svůj elektromobil nebo telefon, elektřina poskytovaná zásuvkou vyžene tyto ionty z kladné elektrody baterie do záporné elektrody. Elektrody jsou pevné materiály v baterii, které mohou ukládat ionty, a všechny baterie mají kladnou i zápornou elektrodu.

Elektrony procházejí baterií jako elektřina. S každým elektronem, který přejde na jednu elektrodu, přejde do stejné elektrody také iont lithia. Tím je zajištěna rovnováha nábojů v baterii. Jak řídíte auto, uložené ionty v záporné elektrodě se pohybují zpět ke kladné elektrodě a výsledný tok elektřiny pohání motor.

Baterie AA nebo AAA sice mohou napájet drobnou elektroniku, ale lze je použít pouze jednou a nelze je nabíjet. Dobíjecí Li-ion baterie mohou fungovat po tisíce cyklů plného nabití a vybití. Pro každý cyklus mohou také uložit mnohem vyšší množství náboje než baterie AA nebo AAA.

Vzhledem k tomu, že lithium je nejlehčí kov, má vysokou specifickou kapacitu, což znamená, že může uložit obrovské množství náboje na váhu. To je důvod, proč jsou lithium-iontové baterie užitečné nejen pro přenosnou elektroniku, ale také pro napájení způsobů dopravy s omezenou hmotností nebo objemem, jako jsou elektromobily.

Baterie vystřelí

Lithium-iontové baterie však mají rizika, která baterie AA nebo AAA nemají. Jednak je pravděpodobnější, že se vznítí. Například počet elektrokol v New Yorku hlášeny požáry baterií se za posledních pět let zvýšil z 30 na téměř 300.

Spousta různých problémů může způsobit požár baterie. Špatně vyrobené články může obsahovat vady, jako jsou stopové nečistoty nebo částice zanechané z výrobního procesu, které zvyšují riziko vnitřního selhání.


Test ukazuje výbušnou sílu tepelného úniku lithium-iontové baterie

Provoz na baterie může ovlivnit i klima. Prodej elektrických vozidel se v USA zvýšil, zejména v chladných oblastech, jako je severovýchod a středozápad, kde mohou mrazivé teploty bránit výkonu baterie.

Baterie obsahují tekutiny zvané elektrolyty a nízké teploty způsobují, že tekutiny proudí pomaleji. Elektrolyty v bateriích se tedy v chladu zpomalují a houstnou, což způsobuje, že se ionty lithia uvnitř pohybují pomaleji. Toto zpomalení může zabránit správnému vložení iontů lithia do elektrod. Místo toho se mohou usazovat na povrchu elektrody a vytvářet lithium.

Pokud se během nabíjení na povrchu elektrody usadí příliš mnoho lithia, může to způsobit vnitřní zkrat. Tento proces může způsobit požár baterie.

Výroba bezpečnějších baterií

Moje výzkumná skupina spolu s mnoha dalšími studuje, jak vyrobit baterie, které fungují efektivněji v chladu.

Výzkumníci například zkoumají výměnu obvyklého elektrolytu baterie a jeho nahrazení alternativním elektrolytem, ​​který při nízkých teplotách nezhoustne. Další potenciální možností je zahřát baterii před nabíjením, aby proces nabíjení probíhal při vyšší teplotě.

Moje skupina také zkoumá nové typy baterií mimo lithium-iontové. Mohou to být typy baterií, které jsou stabilnější v širším rozsahu teplot, typy, které dokonce vůbec nepoužívají tekuté elektrolyty, nebo baterie, které místo lithia používají sodík. Sodík-iontové baterie by mohly dobře fungovat a stát méně, protože sodík je velmi bohatý zdroj.

Pevné baterie používají pevné elektrolyty, které nejsou hořlavé, což snižuje riziko požáru. Ale tyto baterie nefungují tak dobře jako Li-ion baterie, takže bude vyžadovat další výzkum, aby se zjistilo, zda jsou dobrou volbou.

Lithium-iontové baterie napájejí technologie, které lidé v celé zemi používají každý den, a výzkum v těchto oblastech má za cíl najít řešení, která učiní tuto technologii pro spotřebitele ještě bezpečnější.

Tento článek je znovu publikován z Konverzace pod licencí Creative Commons.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *