Зарядка LiFePO4 аккумулятора при отрицательной температуре

Основные процессы при зарядке Li-ion/LiFePO4 аккумулятора
В нормальных условиях (при комнатной температуре), во время зарядки ионы лития мигрируют через электролит от катода к аноду, где они встраиваются в структуру углеродного материала (обычно графита).

Этот процесс называется встраиванием или интеркаляцией , и он происходит эффективно благодаря высокой подвижности ионов лития и достаточной скорости диффузии.

При понижении температуры диффузия ионов лития через электролит замедляется из-за уменьшения кинетической энергии частиц. Это означает, что ионы лития медленнее достигают поверхности анода и еще медленнее встраиваются в его структуру.

Когда скорость диффузии становится недостаточной для того, чтобы ионы лития успевали встраиваться в анод, они начинают накапливаться на его поверхности.

Избыток ионов лития на поверхности анода создает условия для их редукции (превращения в металлический литий).

Зарядка LiFePO4 (литий-железо-фосфатного) аккумулятора при температуре ниже 0°C может привести к ряду негативных последствий, связанных с изменением химических процессов внутри батареи. Вот основные риски и возможные проблемы:

Повреждение электродов из-за выделения металлического лития

• При пониженной температуре внутреннее сопротивление аккумулятора возрастает, что затрудняет процесс заряда. Это приводит к тому, что батарея заряжается медленнее и менее эффективно.

• При низких температурах скорость диффузии ионов лития через электролит замедляется, что увеличивает вероятность того, что литий начнет откладываться на аноде в виде металлического лития (процесс называется "литиевым покрытием").

• Металлический литий может образовывать дендриты (деревца), которые со временем могут привести к короткому замыканию, снижению ёмкости или даже возгоранию аккумулятора.

Металлический литий, образующийся на поверхности анода, может начать расти в виде дендритов — тонких, острых кристаллических структур.

• Процесс образования дендритов усиливается по следующим причинам:

  1. Электрическое поле: Дендриты растут в направлении катода, так как металлический литий обладает положительным зарядом и притягивается к отрицательно заряженному катоду.

  2. Локальные перегревы: Формирование дендритов вызывает локальные точки высокого сопротивления, что приводит к нагреву и дальнейшему разрушению структуры электродов.

  3. Пористая структура анода: Если анод имеет пористую структуру, дендриты могут легко проникать через эти поры и расти дальше.

Почему дендриты опасны?

• Термический выброс: Короткое замыкание вызывает резкий нагрев аккумулятора, что может привести к взрыву или возгоранию.
  

• Снижение ёмкости: Металлический литий, отложенный в виде дендритов, становится "нерабочим", то есть он уже не может участвовать в процессах заряда/разряда, что снижает общую ёмкость аккумулятора.

Как предотвратить формирование дендритов?

• Поддержание оптимальной температуры: Зарядка должна проводиться при температуре выше 0°C, чтобы обеспечить нормальную диффузию ионов лития.

• Ограничение тока заряда: При низких температурах следует использовать сниженный ток заряда (например, C/10 или меньше), чтобы минимизировать образование дендритов.

• Использование специальных материалов : Исследования показывают, что использование альтернативных материалов для анода (например, кремния или титана) может уменьшить вероятность образования дендритов.

• Тепловая изоляция: Аккумулятор можно поместить в теплоизолирующий материал или использовать системы подогрева для поддержания безопасной температуры.
  

Таким образом, зарядка при низких температурах может вызвать необратимые изменения в структуре электродов, что уменьшает общую ёмкость аккумулятора и сокращает его срок службы.

Опасность перегрева

• Если зарядное устройство не отключает заряд при низких температурах, оно может продолжать подавать ток выше допустимого уровня, что может вызвать локальное повреждение элементов внутри аккумулятора, увеличивая риск возгорания.

Рекомендации:

Чтобы безопасно заряжать LiFePO4 аккумулятор при низких температурах, следует соблюдать следующие правила:

• Использовать специальные зарядные устройства:
  Некоторые современные зарядные устройства имеют функцию автоматического контроля температуры. Они начинают зарядку только после того, как аккумулятор прогреется до безопасной температуры (обычно выше 0°C).

• Прогрев аккумулятора перед зарядкой:
  Перед зарядкой можно поместить аккумулятор в теплое место или использовать специальные системы подогрева, чтобы довести его температуру до диапазона 5–25°C.

• Ограничение тока заряда:
  При температуре ниже 0°C рекомендуется использовать значительно сниженный ток заряда, например C/10, для минимизации рисков.

• Избегание глубокого разряда:
  Глубоко разряженные аккумуляторы более чувствительны к низким температурам, поэтому важно поддерживать их заряд хотя бы на уровне 20–30% при хранении в холодных условиях.

Важно: Если аккумулятор уже был подвергнут зарядке при низких температурах, необходимо проверить его состояние. Признаками повреждения могут быть снижение ёмкости, увеличение внутреннего сопротивления или физические деформации корпуса.