Pourquoi charger des batteries Li-Ion par temps froid leur nuirait-il?

En conséquence de ce que j'ai trouvé dans plusieurs sources (manuel d'utilisation des appareils électroniques, divers forums, etc.), je ne devrais pas charger mes batteries Li-Ion par temps froid car cela leur nuirait. Cependant, on ne sait pas vraiment quel type de préjudice ils recevront et pourquoi exactement recevraient-ils du tout.

Est-ce vraiment vrai? Si tel est le cas, quelqu'un peut-il m'expliquer la nature des processus électroniques et / ou chimiques conduisant à des dommages lors du chargement de batteries lithium-ion par temps froid?

Les «températures froides» sont terriblement vagues. Tout d'abord, permettez-moi de spécifier des nombres réels et durs.

Ne chargez pas de batteries lithium-ion à moins de 32 ° F / 0 ° C. En d'autres termes, ne chargez jamais une batterie lithium-ion en dessous de zéro.

Le faire, même une fois, entraînera une perte de capacité soudaine, grave et permanente de l'ordre de plusieurs dizaines de pour cent ou plus, ainsi qu'une augmentation similaire et permanente de la résistance interne. Ces dommages surviennent après un seul événement de «charge froide» isolé et sont proportionnels à la vitesse à laquelle la cellule est chargée.

Mais, plus important encore, une pile au lithium-ion qui a été chargée à froid n'est PAS sûre et doit être recyclée ou jetée en toute sécurité. Par non sûr, je veux dire que cela fonctionnera bien jusqu'à ce qu'il explose au hasard en raison de vibrations mécaniques, de chocs mécaniques ou tout simplement d'atteindre un état de charge suffisamment élevé.

Maintenant, pour répondre à votre question: pourquoi est-ce?

Cela nécessite un bref résumé du fonctionnement des batteries lithium-ion. Ils ont une anode et une cathode et un électrolyte comme n'importe quelle autre batterie, mais il y a une torsion: les ions lithium se déplacent réellement de la cathode à l'anode pendant la charge et s'y intercalent . L'essentiel de l'intercalation est que les molécules ou les ions (les ions lithium dans ce cas) sont entassés entre les lacunes moléculaires du réseau de certains matériaux.

Pendant la décharge, les ions lithium quittent l'anode et retournent à la cathode, et s'intercalent également dans la cathode. La cathode et l'anode agissent donc comme une sorte d '«éponge» pour les ions lithium.

Lorsque la plupart des ions lithium sont intercalés dans la cathode (ce qui signifie que la batterie est dans un état assez déchargé), le matériau de la cathode se dilate légèrement en raison de la tension volumétrique (en raison de tous les atomes supplémentaires coincés entre son réseau), mais généralement la plupart la force d'intercalation est convertie en contraintes internes (analogues au verre trempé), de sorte que la déformation volumétrique est faible.

Pendant la charge, les ions lithium quittent la cathode et s'intercalent dans l'anode en graphite. Le graphite est essentiellement un biscuit au carbone, composé d'un tas de couches de graphène pour former une structure de biscuit agrégée. Structure de biscuit américain.

Cela réduit considérablement la capacité de l'anode en graphite à convertir la force de l'intercalation en contraintes internes, de sorte que l'anode subit beaucoup plus de contraintes volumétriques - à tel point qu'elle augmentera réellement en volume de 10 à 20%. Cela doit être (et est - sauf dans le cas d'une certaine batterie de téléphone Samsung de toute façon) autorisé lors de la conception d'une cellule au lithium-ion - sinon l'anode peut lentement affaiblir ou même percer la membrane interne qui sépare l'anode de la cathode, provoquant ainsi un mort court à l'intérieur de la cellule. Mais seulement une fois qu'un tas de joules a été poussé dans la cellule (élargissant ainsi l'anode).

D'accord, mais qu'est-ce que cela a à voir avec les températures froides?

Lorsque vous chargez une cellule au lithium-ion à des températures inférieures à zéro, la plupart des ions lithium ne parviennent pas à s'intercaler dans l'anode en graphite. Au lieu de cela, ils plaquent l'anode avec du lithium métallique, tout comme la galvanoplastie d'une pièce d'anode avec un métal précieux de cathode. Ainsi, la charge galvanoplastie l'anode avec du lithium plutôt que, eh bien, la recharge. Certains des ions à s'intercaler dans l'anode, et certains des atomes dans le placage métallique s'intercaleront plus tard pendant plus de 20 heures si la cellule est laissée au repos, mais la plupart ne le feront pas. C'est la source de la réduction de capacité, de l'augmentation de la résistance interne et aussi du danger.

Si vous avez lu ma réponse connexe sur l'échange de pile à la question `` Pourquoi y a-t-il tant de peur autour des batteries au lithium-ion? '', Vous pouvez probablement voir où cela va.

Ce placage au lithium de l'anode n'est pas agréable et lisse et même - il se forme dans les dendrites, de petites vrilles pointues de lithium métal poussant sur l'anode.

Comme pour les autres mécanismes de défaillance qui sont également dus au placage métallique au lithium de l'anode (bien que pour des raisons différentes), ces dendrites peuvent exercer une pression inattendue sur la membrane de séparation lorsque l'anode se dilate et les y force, et si vous n'avez pas de chance , cela entraînera un jour une défaillance de la membrane de manière inattendue (ou aussi immédiatement, parfois une dendrite perce simplement un trou à l'intérieur et touche la cathode). Bien sûr, cela fait évacuer la cellule, enflamme son électrolyte inflammable et gâche votre week-end (au mieux).

Mais, vous vous demandez peut-être, " pourquoi les températures inférieures au point de congélation provoquent-elles le placage au lithium-métal de l'anode?"

Et la réponse malheureuse et insatisfaisante est que nous ne savons pas réellement. Nous devons utiliser l'imagerie neutronique pour regarder à l'intérieur des cellules lithium-ion fonctionnelles, et considérant qu'il n'y a qu'environ 30 (31 je pense?) Réacteurs de recherche actifs dans le monde (réacteurs nucléaires qui agissent comme une source de neutrons) qui sont réellement disponibles pour la recherche scientifique à un université plutôt qu'utilisée pour la production d'isotopes médicaux, et tous réservés 24/7 pour des expériences, je pense que c'est juste une question de patience. Il n'y a eu que quelques cas d'imagerie neutronique de batteries lithium-ion simplement en raison de la pénurie de temps d'équipement.

La dernière fois que cela a été utilisé spécifiquement pour ce problème de température froide était 2014 je crois, et voici l'article .

Malgré le titre, ils n'ont toujours pas vraiment résolu exactement ce qui cause le placage plutôt que l'intercalation lorsque la cellule est en dessous de zéro.

Fait intéressant, il est en fait possible de charger une cellule au lithium-ion en dessous de zéro, mais uniquement à des courants extrêmement faibles, en dessous de 0,02 ° C (donc plus d'un temps de charge de 50 heures). Il existe également quelques cellules exotiques disponibles dans le commerce qui sont spécifiquement conçues pour être rechargeables par temps froid, généralement à un coût important (à la fois en termes monétaires et en termes de performances des cellules dans d'autres domaines).

Remarque: je dois ajouter que décharger une batterie au lithium-ion à des températures inférieures à zéro est parfaitement sûr. La plupart des cellules ont des températures de décharge de -20 ° C ou même plus froides. Il suffit d'éviter de charger une cellule «gelée».