Li-Ionバッテリーを低温で充電すると損傷するのはなぜですか？

いくつかの情報源（電子デバイスのユーザーマニュアル、さまざまなフォーラムなど）で見つけたものに応じて、低温でLi-Ionバッテリーを充電しないでください。しかし、どの種類の害を受けるのか、なぜまったく害を受けるのかは完全には不明です。

それは本当ですか？もしそうなら、誰かが低温でリチウムイオン電池を充電するときに損傷につながる電子的および/または化学的プロセスの性質を説明できますか？

「冷温」は非常にあいまいです。最初に、実際のハードな数値を実際に指定させてください。

0°C未満の温度でリチウムイオン電池を充電しないでください。言い換えれば、氷点下を下回るリチウムイオン電池を充電しないでください。

一度でもそうすると、数十パーセント以上の突然で、深刻で、永続的な容量損失が発生し、同様に内部抵抗も永続的に増加します。この損傷は、1つの孤立した「冷間充電」イベントの後に発生し、セルが充電される速度に比例します。

しかし、さらに重要なことは、低温充電されたリチウムイオンセルは安全ではないため、安全にリサイクルまたは廃棄する必要があることです。安全ではないということは、機械的振動、機械的衝撃、または単に十分に高い充電状態に達するためにランダムに爆発するまでは正常に動作するということです。

さて、実際にあなたの質問に答えるために：これはなぜですか？

これには、リチウムイオン電池の動作の簡単な概要が必要です。他のバッテリーと同じようにアノードとカソード、電解質がありますが、ねじれがあります。充電中にリチウムイオンが実際にカソードからアノードに移動し、そこに挿入されます。インターカレーションの要点は、分子またはイオン（この場合はリチウムイオン）がいくつかの材料の格子の分子ギャップの間に詰め込まれていることです。

放電中、リチウムイオンはアノードから出てカソードに戻り、同様にカソードに挿入されます。そのため、カソードとアノードの両方が、リチウムイオンの一種の「スポンジ」として機能します。

ほとんどのリチウムイオンがカソードに挿入されると（バッテリーがかなり放電した状態にあることを意味します）、カソード材料は体積歪みのためにわずかに膨張します（格子の間に挟まれたすべての余分な原子のため）これは、挿入力が内部応力（強化ガラスに類似）に変換されるため、体積ひずみがわずかであるためです。

充電中、リチウムイオンはカソードから出て、グラファイトアノードに挿入されます。グラファイトは、基本的にカーボンビスケットであり、凝集したビスケット構造を形成するために多数のグラフェン層で作られています。 アメリカのビスケット構造。

これにより、インターカレーションからの力を内部応力に変換するグラファイトアノードの能力が大幅に低下するため、アノードの体積歪みが大幅に増加します。そのため、実際には体積が10〜20％増加します。これは、リチウムイオンセルを設計する際に許可されている必要があります（サムスンの特定の携帯電話のバッテリーの場合を除きます）。セル内のデッドショート。しかし、一度だけ大量のジュールがセルに押し込まれます（したがって、アノードが膨張します）。

OK

氷点下の温度でリチウムイオンセルを充電すると、ほとんどのリチウムイオンがグラファイトアノードに挿入できません。代わりに、陽極貴金属に陰極コインを電気めっきするように、陽極に金属リチウムをめっきします。したがって、充電すると、アノードをリチウムで再めっきするのではなく、リチウムで電気めっきします。アノードに挿入するイオンの一部、および金属メッキ内の原子の一部は、セルを休ませると20時間以上後に挿入されますが、ほとんどの場合はそうなりません。それが容量の減少、内部抵抗の増加、および危険の原因です。

「リチウムイオン電池を取り巻く恐怖はなぜあるのか？」という質問に対するスタック交換に関する私の関連する回答を読んだ場合、おそらくこれがどこに向かっているのかがわかるでしょう。

アノードのこのリチウムめっきは、素晴らしく滑らかではなく、均一ではありません-それは樹枝状結晶、アノード上で成長するリチウム金属の小さな鋭い巻きひげを形成します。

同様にアノードの金属リチウムめっきに起因する他の故障メカニズムと同様に（理由は異なりますが）、これらの樹枝状結晶はアノードが膨張して強制的に分離膜に圧力をかける可能性があり、運が悪ければ、これにより、膜がいつか予期せず故障します（または、すぐに、樹状突起が穴を開けてカソードに触れることもあります）。これはもちろん、セルの通気口を作り、可燃性の電解質に点火し、週末を台無しにします（せいぜい）。

しかし、「氷点下の温度がアノードのリチウム金属メッキを引き起こすのはなぜですか？」

そして、残念で不満な答えは、私たちは実際には知らないということです。機能しているリチウムイオンセルの内部を見るには中性子イメージングを使用する必要があります。大学は医療用アイソトープの製造に使用されているのではなく、実験のために24時間年中無休で予約されているので、忍耐の問題だと思います。機器の時間が不足しているため、リチウムイオン電池の中性子イメージングの例はごくわずかです。

これがこの寒冷温度問題のために特に使用されたのは2014年であると私は信じています、そしてここに記事があります。

見出しにもかかわらず、彼らはまだ、細胞が氷点下にあるとき、インターカレーションではなくプレーティングの原因であるものを正確に解決していない。

興味深いことに、リチウムイオン電池を氷点下まで充電することは実際には可能ですが、0.02C未満の非常に低い電流（充電時間が50時間を超える）でのみ可能です。また、低温で充電できるように特別に設計された市販のエキゾチックセルがいくつかあります。通常、かなりの費用がかかります（金銭的および他の分野でのセルのパフォーマンスの両方）。

注：氷点下の温度でリチウムイオンバッテリーを放電することは完全に安全であることを付け加えます。ほとんどのセルの放電温度定格は-20°Cまたはそれ以下です。「凍結」セルの充電のみを避ける必要があります。