Batterien funktionieren bei Kälte nicht gut – ein Batterieforscher erklärt die Chemie bei niedrigen Temperaturen

Wiederaufladbare Batterien eignen sich hervorragend zum Speichern von Energie und zum Betreiben elektronischer Geräte, von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen.In kalten Umgebungen kann es jedoch schwieriger sein, sie aufzuladen, und es besteht die Gefahr, dass sie sogar in Brand geraten.

Ich bin Maschinenbauprofessor und interessiere mich seit dem College für Batterien.Ich führe jetzt eine Batterieforschungsgruppe an der Drexel University.

Allein im letzten Jahrzehnt habe ich mir das angeschaut Preissenkung für Lithium-Ionen-Akkus als Produktionsmarkt ist viel größer geworden.Zukunftsprognosen sagen voraus, dass der Markt erreichen könnte Tausende GWh pro Jahr bis 2030, ein deutlicher Anstieg.

Aber Lithium-Ionen-Batterien sind nicht perfekt – dieser Anstieg birgt Risiken, wie zum Beispiel ihre Tendenz, bei kaltem Wetter langsamer zu werden und sogar Feuer zu fangen.

Dahinter der Li-Ionen-Akku

Der Elektrochemische Energiespeicherung Innerhalb von Batterien funktioniert es durch die Speicherung von Elektrizität in Form von Ionen.Ionen sind Atome, die eine Ladung ungleich Null haben, weil sie entweder zu viele oder zu wenig Elektronen haben.

Wenn Sie Ihr Elektroauto oder Telefon anschließen, wird der Strom aus der Steckdose bereitgestellt treibt diese Ionen an von der positiven Elektrode der Batterie in ihre negative Elektrode.Die Elektroden sind feste Materialien in einer Batterie, die Ionen speichern können, und alle Batterien verfügen sowohl über eine positive als auch eine negative Elektrode.

Elektronen fließen als Elektrizität durch die Batterie.Mit jedem Elektron, das zu einer Elektrode gelangt, gelangt auch ein Lithiumion in dieselbe Elektrode.Dadurch wird der Ladungsausgleich in der Batterie sichergestellt.Während Sie mit Ihrem Auto fahren, wandern die in der negativen Elektrode gespeicherten Ionen zurück zur positiven Elektrode und der daraus resultierende Stromfluss treibt den Motor an.

Während AA- oder AAA-Batterien kleine elektronische Geräte mit Strom versorgen können, können sie nur einmal verwendet und nicht aufgeladen werden.Wiederaufladbare Li-Ionen-Akkus können Tausende von vollständigen Lade- und Entladezyklen durchführen.Außerdem können sie pro Zyklus eine viel höhere Ladungsmenge speichern als eine AA- oder AAA-Batterie.

Da Lithium das leichteste Metall ist, hat es einen hohen Gehalt spezifische Kapazität, was bedeutet, dass es a speichern kann enorme Ladungsmenge pro Gewicht.Aus diesem Grund sind Lithium-Ionen-Batterien nicht nur für tragbare Elektronikgeräte nützlich, sondern auch für den Antrieb von Transportmitteln mit begrenztem Gewicht oder Volumen, beispielsweise Elektroautos.

Batterie brennt

Allerdings bergen Lithium-Ionen-Batterien Risiken, die bei AA- oder AAA-Batterien nicht der Fall sind.Zum einen ist es wahrscheinlicher, dass sie Feuer fangen.Zum Beispiel die Anzahl der Batterie des Elektrofahrrads brennt Die Zahl der in New York City gemeldeten Fälle ist in den letzten fünf Jahren von 30 auf fast 300 gestiegen.

Viele verschiedene Probleme können einen Batteriebrand verursachen.Schlecht hergestellte Zellen können Mängel aufweisen, wie z. B. Spuren von Verunreinigungen oder Partikel, die beim Herstellungsprozess zurückgeblieben sind und das Risiko eines internen Ausfalls erhöhen.

Auch das Klima kann den Batteriebetrieb beeinflussen. Verkauf von Elektrofahrzeugen haben in den gesamten USA zugenommen, insbesondere in kalten Regionen wie dem Nordosten und dem Mittleren Westen, wo die eisigen Temperaturen die Batterieleistung beeinträchtigen können.

Batterien enthalten Flüssigkeiten, sogenannte Elektrolyte, und kalte Temperaturen führen dazu, dass Flüssigkeiten langsamer fließen.Daher verlangsamen und verdicken sich die Elektrolyte in Batterien bei Kälte, wodurch sich die Lithiumionen im Inneren langsamer bewegen.Diese Verlangsamung kann dazu führen, dass die Lithiumionen nicht richtig in die Elektroden eindringen.Stattdessen können sie sich auf der Elektrodenoberfläche ablagern und bilden Lithiummetall.

Wenn sich beim Laden zu viel Lithium auf der Oberfläche der Elektrode ablagert, kann es zu einem internen Kurzschluss kommen.Dieser Prozess kann einen Batteriebrand auslösen.

Sicherere Batterien herstellen

Meine Forschungsgruppe, zusammen mit vielen anderen, untersucht, wie man Batterien herstellen kann, die bei Kälte effizienter funktionieren.

Forscher prüfen beispielsweise, den üblichen Batterieelektrolyten auszutauschen und ihn durch einen alternativen Elektrolyten zu ersetzen, der bei kalten Temperaturen nicht eindickt.Eine weitere mögliche Option ist Aufheizen des Akkus vor dem Laden, damit der Ladevorgang bei einer wärmeren Temperatur erfolgt.

Meine Gruppe untersucht auch neue Batterietypen jenseits von Lithium-Ionen.Dies können Batterietypen sein, die in größeren Temperaturbereichen stabiler sind, Typen, die überhaupt keine flüssigen Elektrolyte verwenden, oder Batterien, die Natrium anstelle von Lithium verwenden. Natrium-Ionen-Batterien könnte gut funktionieren und weniger kosten, da Natrium eine sehr reichlich vorhandene Ressource ist.

Festkörperbatterien Verwenden Sie feste Elektrolyte, die nicht brennbar sind, was die Brandgefahr verringert.Allerdings funktionieren diese Akkus nicht ganz so gut wie Li-Ionen-Akkus, sodass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um festzustellen, ob diese eine gute Option sind.

Lithium-Ionen-Batterien treiben Technologien an, die Menschen im ganzen Land täglich nutzen, und die Forschung in diesen Bereichen zielt darauf ab, Lösungen zu finden, die diese Technologie für den Verbraucher noch sicherer machen.