аккумуляторы плохо работают на холоде – исследователь аккумуляторов объясняет химический состав при низких температурах.

Аккумуляторные батареи отлично подходят для хранения энергии и питания электроники, от смартфонов до электромобилей.Однако в холодных условиях их может быть сложнее заряжать, и они могут даже загореться.

Я профессор машиностроения, который интересовался батареями еще со колледжа.сейчас я веду группа по исследованию аккумуляторов в Дрексельском университете.

Всего за последнее десятилетие я наблюдал Цены на литий-ионные аккумуляторы упали как рынок производства стал намного больше.Прогнозы на будущее предсказывают, что рынок может достичь тысяч ГВтч в год к 2030 году, значительное увеличение.

Но литий-ионные батареи не идеальны – этот рост сопряжен с рисками, такими как их склонность замедляться в холодную погоду и даже возгораться.

За литий-ионным аккумулятором

А электрохимический накопитель энергии внутри батарей работает, накапливая электричество в виде ионов.Ионы — это атомы, которые имеют ненулевой заряд, потому что у них либо слишком много, либо недостаточно электронов.

Когда вы подключаете электромобиль или телефон, электричество, подаваемое из розетки, управляет этими ионами от положительного электрода батареи к отрицательному электроду.Электроды батареи представляют собой твердые материалы, которые могут накапливать ионы, и все батареи имеют как положительный, так и отрицательный электрод.

Электроны проходят через батарею в виде электричества.С каждым электроном, переходящим на один электрод, в тот же электрод переходит и ион лития.Это обеспечивает баланс зарядов в аккумуляторе.Когда вы ведете машину, ионы, накопленные в отрицательном электроде, возвращаются к положительному электроду, и возникающий в результате поток электричества приводит в действие двигатель.

Хотя батарейки типа АА или ААА могут питать небольшую электронику, их можно использовать только один раз и нельзя заряжать.Литий-ионные аккумуляторы способны работать в течение тысяч циклов полной зарядки и разрядки.За каждый цикл они также могут накапливать гораздо больший заряд, чем батареи типа АА или ААА.

Поскольку литий — самый легкий металл, он имеет высокую удельная мощность, что означает, что он может хранить огромное количество заряда за вес.Вот почему литий-ионные аккумуляторы полезны не только для портативной электроники, но и для питания транспортных средств с ограниченным весом или объемом, таких как электромобили.

Батарея возгорается

Однако литий-ионные батареи имеют риски, которых нет у батарей типа АА или ААА.Во-первых, они с большей вероятностью загорятся.Например, количество сгорел аккумулятор электровелосипеда число зарегистрированных в Нью-Йорке увеличилось с 30 до почти 300 за последние пять лет.

Множество различных проблем могут привести к возгоранию аккумулятора.Плохо изготовленные элементы могут содержать дефекты, такие как следы примесей или частицы, оставшиеся после производственного процесса, которые увеличивают риск внутреннего отказа.

Климат также может влиять на работу аккумулятора. Продажи электромобилей увеличилось по всей территории США, особенно в холодных регионах, таких как Северо-Восток и Средний Запад, где низкие температуры могут снизить производительность аккумулятора.

Батареи содержат жидкости, называемые электролитами, а низкие температуры заставляют жидкости течь медленнее.Таким образом, электролиты в батареях замедляются и загустевают на холоде, в результате чего ионы лития внутри движутся медленнее.Это замедление может помешать правильному проникновению ионов лития в электроды.Вместо этого они могут откладываться на поверхности электрода и образовывать литий-металлический.

Если во время зарядки на поверхности электрода отложится слишком много лития, это может вызвать внутреннее короткое замыкание.Этот процесс может поджечь батарею.

Делаем аккумуляторы более безопасными

Моя исследовательская группа, наряду со многими другими, изучает, как сделать батареи, которые будут работать более эффективно на морозе.

Например, исследователи изучают возможность замены обычного аккумуляторного электролита альтернативным электролитом, который не загустевает при низких температурах.Другой потенциальный вариант — нагрев аккумуляторной батареи перед зарядкой, чтобы процесс зарядки происходил при более высокой температуре.

Моя группа также исследует новые типы батарей помимо литий-ионных.Это могут быть типы батарей, которые более стабильны в более широком диапазоне температур, типы, в которых вообще не используются жидкие электролиты, или батареи, в которых вместо лития используется натрий. Натрий-ионные аккумуляторы может работать хорошо и стоить дешевле, поскольку натрий является очень распространенным ресурсом.

Твердотельные батареи используйте твердые негорючие электролиты, что снижает риск возгорания.Но эти батареи работают не так хорошо, как литий-ионные, поэтому потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, являются ли они хорошим вариантом.

Литий-ионные аккумуляторы питают технологии, которые люди по всей стране используют каждый день, и исследования в этих областях направлены на поиск решений, которые сделают эту технологию еще более безопасной для потребителя.