Γιατί οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν λειτουργούν το ίδιο καλά στο κρύο; Ένας ερευνητής μπαταρίας εξηγεί.

Ο Γουέσλι Τσανγκ είναι επίκουρος καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών και Μηχανολόγων στο Πανεπιστήμιο Drexel.


Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι εξαιρετικές για την αποθήκευση ενέργειας και την τροφοδοσία ηλεκτρονικών ειδών από smartphone σε ηλεκτρικά οχήματα. Σε ψυχρά περιβάλλοντα, ωστόσο, μπορεί να είναι πιο δύσκολο να φορτιστούν και μπορεί ακόμη και να πάρουν φωτιά.

Είμαι καθηγητής μηχανολόγος μηχανικός που ενδιαφέρεται για τις μπαταρίες από το κολέγιο. Τώρα ηγούμαι μιας ερευνητικής ομάδας μπαταριών στο Πανεπιστήμιο Drexel.

Μόλις την τελευταία δεκαετία, έχω παρακολουθήσει την πτώση της τιμής των μπαταριών ιόντων λιθίου καθώς η αγορά παραγωγής έχει μεγαλώσει πολύ. Οι μελλοντικές προβλέψεις προβλέπουν ότι η αγορά θα μπορούσε να φτάσει τις χιλιάδες GWh ετησίως έως το 2030, μια σημαντική αύξηση.

Ωστόσο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν είναι τέλειες – αυτή η άνοδος συνοδεύεται από κινδύνους, όπως η τάση τους να επιβραδύνουν κατά τη διάρκεια του κρύου καιρού και ακόμη και να φλέγονται.

Στοιχεία που συνέλεξε η Πυροσβεστική Υπηρεσία της Νέας Υόρκης για πυρκαγιές που προκαλούνται από μπαταρίες ιόντων λιθίου. Δεκέμβριος 2023.

CBS News


Πίσω από την μπαταρία Li-ion

Η ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες λειτουργεί με την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τη μορφή ιόντων. Τα ιόντα είναι άτομα που έχουν μη μηδενικό φορτίο επειδή έχουν είτε πάρα πολλά είτε όχι αρκετά ηλεκτρόνια.

Όταν συνδέετε το ηλεκτρικό αυτοκίνητο ή το τηλέφωνό σας, η ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται από την πρίζα οδηγεί αυτά τα ιόντα από το θετικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας στο αρνητικό της ηλεκτρόδιο. Τα ηλεκτρόδια είναι στερεά υλικά σε μια μπαταρία που μπορεί να αποθηκεύσει ιόντα και όλες οι μπαταρίες έχουν θετικό και αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Τα ηλεκτρόνια περνούν μέσω της μπαταρίας ως ηλεκτρική ενέργεια. Με κάθε ηλεκτρόνιο που περνά σε ένα ηλεκτρόδιο, ένα ιόν λιθίου περνά επίσης στο ίδιο ηλεκτρόδιο. Αυτό εξασφαλίζει την ισορροπία των φορτίσεων στην μπαταρία. Καθώς οδηγείτε το αυτοκίνητό σας, τα αποθηκευμένα ιόντα στο αρνητικό ηλεκτρόδιο επιστρέφουν στο θετικό ηλεκτρόδιο και η προκύπτουσα ροή ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτεί τον κινητήρα.

Ενώ οι μπαταρίες ΑΑ ή ΑΑΑ μπορούν να τροφοδοτήσουν μικρά ηλεκτρονικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο μία φορά και δεν μπορούν να φορτιστούν. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να λειτουργήσουν για χιλιάδες κύκλους πλήρους φόρτισης και εκφόρτισης. Για κάθε κύκλο, μπορούν επίσης να αποθηκεύσουν πολύ μεγαλύτερη ποσότητα φόρτισης από μια μπαταρία ΑΑ ή ΑΑΑ.

Δεδομένου ότι το λίθιο είναι το ελαφρύτερο μέταλλο, έχει υψηλή ειδική χωρητικότητα, που σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκεύσει ένα τεράστιο ποσό φόρτισης ανά βάρος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι χρήσιμες όχι μόνο για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές αλλά και για την τροφοδοσία τρόπων μεταφοράς με περιορισμένο βάρος ή όγκο, όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Ανάβει η μπαταρία

Ωστόσο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν κινδύνους που δεν έχουν οι μπαταρίες ΑΑ ή ΑΑΑ. Πρώτον, είναι πιο πιθανό να πάρουν φωτιά. Για παράδειγμα, ο αριθμός του ηλεκτρικού ποδηλάτου Φωτιές μπαταριών αναφέρθηκαν στη Νέα Υόρκη έχει αυξηθεί από 30 σε σχεδόν 300 τα τελευταία πέντε χρόνια.

Πολλά διαφορετικά προβλήματα μπορούν να προκαλέσουν πυρκαγιά της μπαταρίας. Κυψέλες με κακή κατασκευή θα μπορούσε να περιέχει ελαττώματα, όπως ίχνη ακαθαρσιών ή σωματιδίων που έχουν μείνει πίσω από τη διαδικασία κατασκευής, που αυξάνουν τον κίνδυνο εσωτερικής αστοχίας.


Η δοκιμή δείχνει την εκρηκτική ισχύ μιας θερμικής διαφυγής μπαταρίας ιόντων λιθίου

Το κλίμα μπορεί επίσης να επηρεάσει τη λειτουργία της μπαταρίας. Οι πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων έχουν αυξηθεί σε όλες τις ΗΠΑ, ιδιαίτερα σε ψυχρές περιοχές όπως τα βορειοανατολικά και τα μεσοδυτικά, όπου οι χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί να εμποδίσουν την απόδοση της μπαταρίας.

Οι μπαταρίες περιέχουν υγρά που ονομάζονται ηλεκτρολύτες και οι χαμηλές θερμοκρασίες κάνουν τα υγρά να ρέουν πιο αργά. Έτσι, οι ηλεκτρολύτες στις μπαταρίες επιβραδύνουν και πυκνώνουν στο κρύο, με αποτέλεσμα τα ιόντα λιθίου στο εσωτερικό να κινούνται πιο αργά. Αυτή η επιβράδυνση μπορεί να αποτρέψει τη σωστή εισαγωγή των ιόντων λιθίου στα ηλεκτρόδια. Αντίθετα, μπορεί να εναποτίθενται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και να σχηματίσουν μέταλλο λίθιο.

Εάν εναποθέσει πολύ λίθιο στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου κατά τη φόρτιση, μπορεί να προκληθεί εσωτερικό βραχυκύκλωμα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιά μπαταρίας.

Κάνοντας ασφαλέστερες μπαταρίες

Η ερευνητική μου ομάδα, μαζί με πολλούς άλλους, μελετά πώς να κατασκευάζει μπαταρίες που λειτουργούν πιο αποτελεσματικά στο κρύο.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές διερευνούν την αντικατάσταση του συνηθισμένου ηλεκτρολύτη μπαταρίας και την αντικατάστασή του με έναν εναλλακτικό ηλεκτρολύτη που δεν παχαίνει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μια άλλη πιθανή επιλογή είναι η θέρμανση της μπαταρίας πριν τη φόρτιση, έτσι ώστε η διαδικασία φόρτισης να πραγματοποιηθεί σε υψηλότερη θερμοκρασία.

Η ομάδα μου διερευνά επίσης νέους τύπους μπαταριών πέρα ​​από ιόντα λιθίου. Αυτοί μπορεί να είναι τύποι μπαταριών που είναι πιο σταθεροί σε μεγαλύτερα εύρη θερμοκρασιών, τύποι που δεν χρησιμοποιούν καθόλου υγρούς ηλεκτρολύτες ή μπαταρίες που χρησιμοποιούν νάτριο αντί για λίθιο. Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου θα μπορούσαν να λειτουργήσουν καλά και να κοστίζουν λιγότερο, καθώς το νάτριο είναι ένας πολύ άφθονος πόρος.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν στερεούς ηλεκτρολύτες που δεν είναι εύφλεκτοι, γεγονός που μειώνει τον κίνδυνο πυρκαγιάς. Αλλά αυτές οι μπαταρίες δεν λειτουργούν τόσο καλά όσο οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, επομένως θα χρειαστεί περισσότερη έρευνα για να πούμε εάν αυτές είναι μια καλή επιλογή.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν τεχνολογίες που χρησιμοποιούν καθημερινά οι άνθρωποι σε ολόκληρη τη χώρα και η έρευνα σε αυτούς τους τομείς στοχεύει στην εύρεση λύσεων που θα κάνουν αυτήν την τεχνολογία ακόμα πιο ασφαλή για τον καταναλωτή.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από Η συζήτηση με άδεια Creative Commons.

Leave a Reply

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