Haben Mobiltelefone auch „Angst vor der Kälte“? Kein Strom im Winter? Das ist der Grund!

Das Wetter ist wieder kalt geworden. Obwohl es im Norden eine Heizung gibt und es so warm ist, dass man jeden Tag Lust auf ein Eis hat, ist es beim Ausgehen immer noch ein bisschen beängstigend, mit einem Temperaturunterschied von etwa 40 Grad konfrontiert zu werden.

Wäre das Smartphone in Ihrer Tasche ein echtes Smartphone, würde es sicher nicht in der Kälte draußen bleiben wollen. Warum? Denn der Akkustand der „Lebensleiste“ des Handys sinkt in dieser Jahreszeit immer wieder besorgniserregend schnell .

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In dieser Saison gibt es eine Sache, die ziemlich stark reduziert wird: die Akkulaufzeit . Die Reichweite von Elektrofahrzeugen kann im Winter auf der Nordhalbkugel weniger als 70 % der Reichweite im Sommer betragen. Ebenso schnell verliert auch das Handy seinen Akku.

Im Internet gibt es eine anschauliche Beschreibung: Ich musste mitten im Winter wegen einer dringenden Angelegenheit raus, nahm mein Telefon und sah, dass noch über 50 Akkus übrig waren, also ging ich ohne Bedenken raus. Als ich an meinem Ziel ankam und mein Telefon in die Hand nahm, stellte ich fest, dass das Akkusymbol, das gerade noch grün war, bei 20 % rot geworden war. Sie starren überrascht darauf und direkt vor Ihren Augen ändert sich der Wert wieder auf 1 % . Sie waren entsetzt, atmeten und rieben Ihre Hände am Telefon, aber Sie konnten trotzdem nicht verhindern, dass das Telefon kälter wurde …

Sollen wir einfach zusehen, wie die Akkus unserer Mobiltelefone bei kaltem Wetter nach und nach leer werden ? Bevor wir über Gegenmaßnahmen sprechen, schauen wir uns zunächst an, wie das „Leistungsverlust-Dilemma“ der Batterie entsteht.

Das Dilemma der Lebensdauer von Lithiumbatterien im kalten Winter

Batterien sind in unserem Leben unverzichtbar. Überall dort, wo das kabelgebundene Stromnetz nicht abgedeckt werden kann, findet man Batterien. Lithium-Ionen-Akkus, die immer wieder aufgeladen werden können, kommen grundsätzlich in Mobiltelefonen, Laptops und Digitalkameras zum Einsatz. Derzeit ist die Entwicklungsdynamik bei Elektrofahrzeugen gut. Kernkomponente auch von Elektrofahrzeugen ist eine große Lithium-Ionen-Batterie . Seine Leistung bestimmt direkt, wie schnell und wie weit das Auto fahren kann .

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Lithiumbatterien haben beim Comeback der Elektrofahrzeuge eine wichtige Rolle gespielt. Warum sagen wir, dass Elektroautos ein Comeback erleben? Für unsere Vorfahren waren Elektroautos einst ein Luxus.

Die Geschichte der Elektrofahrzeuge lässt sich bis ins Jahr 1834 zurückverfolgen, also mehr als ein halbes Jahrhundert früher als die Geschichte der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor . Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts erfreuten sich Elektrofahrzeuge in Industrieländern wie Europa und den USA großer Beliebtheit. Der Marktanteil von Elektrofahrzeugen in den USA war 16 % höher als der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Man kann sich ein Seufzen nicht verkneifen, wenn man bedenkt, dass die Straßen wirklich voller Elektroautos sind !

Mit der Entwicklung der Wirtschaft wurde der Bau von Straßennetzen immer umfangreicher, der Tätigkeitsbereich der Menschen erweiterte sich und die Anforderungen der Menschen an die Reichweite von Autos wurden immer höher . In Verbindung mit der rasanten Entwicklung der Ölförderungs- und Raffinationstechnologie sowie der Verbrennungsmotorentechnologie sind Kraftstofffahrzeuge hinsichtlich Nutzungskosten, Reichweite, Preis und Leistung vorteilhafter geworden. Von diesem Zeitpunkt an nahm die Popularität von Elektrofahrzeugen allmählich ab und sie verschwanden allmählich aus dem Blickfeld der Menschen.

Niedrige Temperaturen stellen mehrere große Herausforderungen dar

Schon heute verfügen Elektroautos über eine ausreichend große Reichweite , die theoretische Reichweite beträgt bis zu sechs- oder siebenhundert Kilometer. Doch im Winter kann einem Elektroauto nach zwei- bis dreihundert Kilometern der Strom ausgehen und die Ladegeschwindigkeit ist nicht so hoch wie üblich. Es scheint, dass der Mangel an Batterielebensdauer der Straßenbahn noch nicht ausreichend behoben wurde.

Was ist das Problem? Es stellte sich heraus, dass das Problem darin bestand, dass die Temperatur zu niedrig war und die Batterie „intern verbraucht“ wurde.

Bevor wir uns mit den Ursachen des Eigenverbrauchs von Batterien befassen, wollen wir zunächst verstehen, wie Batterien funktionieren.

Die Batterie besteht aus mehreren Hauptkomponenten: negative Elektrode (meistens wird Graphit als negative Elektrode verwendet), positive Elektrode (am Beispiel von Lithiumeisenphosphat), Membran (Lithiumionen können hindurchdringen, Elektronen jedoch nicht) und Batteriegehäuse .

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Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie werden Lithiumionen aus dem Lithiumeisenphosphat an der positiven Elektrode freigesetzt, wandern durch die Elektrolytlösung zur negativen Elektrode und lagern sich im Graphit ein. Der Graphit an der negativen Elektrode absorbiert Lithiumionen, die von der positiven Elektrode kommen, und Elektronen, die sich durch die Drähte bewegen. Beim Entladen entweichen die im Graphit gespeicherten Lithium-Ionen wieder, passieren den Elektrolyten und das Diaphragma und gelangen zurück zur positiven Elektrode. Die Elektronen können die Membran nicht passieren und nur durch den äußeren Draht zur positiven Elektrode zurückkehren. Durch diese Aktion wird Strom im Kabel erzeugt, der das Elektrogerät zum Laufen bringt.

Wie wirken sich niedrige Temperaturen auf den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien aus? Sowohl die Materialien als auch der Betriebsvorgang der Batterie werden durch die niedrige Temperatur in der Umgebung beeinträchtigt . So wie Finger steif werden, wenn sie im Winter über längere Zeit den Elementen ausgesetzt sind, verhält es sich auch mit den Materialien in Batterien. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen können Ionen nur schwer aus Materialien entweichen oder sich in ihnen festsetzen. Sie können die Membran nur schwer passieren und auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen nimmt ab .

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Bei der Niedertemperaturentladung verlangsamt sich die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen in das Material der positiven Elektrode eingebettet werden. Bevor die vorderen Lithiumionen Zeit haben, sich in das Material einzubetten, sind die dahinter liegenden Lithiumionen bereits angekommen. Lithium-Ionen-Akkus beginnen, im Stau stecken zu bleiben. Die große Menge an Lithiumionen, die sich auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials ansammeln, führt dazu, dass sich die Passivierungsschicht schneller bildet (in der Branche als SEI-Film bezeichnet, der die Einbettungsrate von Lithiumionen in die Elektrode verlangsamt), was die Einbettung erschwert. Die makroskopische Manifestation besteht darin, dass der Innenwiderstand der Batterie zunimmt, die Batterie beginnt, „intern Energie zu verbrauchen“, und die abgegebene Strommenge geringer wird .

Beim Laden bei niedriger Temperatur wandern Lithiumionen in Richtung der negativen Graphitelektrode, allerdings verringert sich auch die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen in den Graphit eingebettet werden, während Elektronen problemlos durch den Draht zur negativen Elektrode gelangen können. Wenn Elektronen auf Lithiumionen auf der Oberfläche der negativen Elektrode treffen, erzeugen sie metallisches Lithium und bilden Lithiumdendriten. Wenn die Lithiumdendriten groß werden, durchbohren sie die Membran, was zu einem Kurzschluss und einer Fehlfunktion der Batterie führt .

Lithiumdendriten unter dem Mikroskop. Bildquelle: Referenzen

Solange deine Gedanken nicht abschweifen

Es gibt immer mehr Lösungen als Probleme

Die Defizite von Lithiumbatterien im Hinblick auf die Leistung bei niedrigen Temperaturen sind vielen führenden Wissenschaftlern ein Dorn im Auge. Im Batteriebereich ist das Periodensystem fast vollständig erforscht. Wie kann eine bloß niedrige Temperatur sie also aus der Fassung bringen? Forscher haben Ideen entwickelt, um die Schwierigkeiten ihrer Forschung zu überwinden. Derzeit kann dieses Manko durch die folgenden drei Ansätze behoben werden.

Artikel 1: Materialien ändern . Sie können die Materialverarbeitungsmethode und den Batterieherstellungsprozess ändern.

Der Grund, warum die Entladeleistung der Batterie in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen abnimmt, liegt darin, dass die interne Impedanz der Batterie zu groß ist . Durch den Austausch neuer Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien kann die interne Impedanz der Batterie bei niedrigen Temperaturen so weit wie möglich reduziert und dadurch die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen verbessert werden.

Artikel 2: Internes Vorwärmen . Wenn Menschen frieren, stampfen sie mit den Füßen auf oder reiben ihre Hände, um Wärme zu erzeugen. Batterien können das Gleiche.

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Dieser technische Weg wird als innere Vorwärmung bezeichnet. Bei der Herstellung von Batterien fügen die Hersteller der Batteriestruktur eine dünne Nickelfolie hinzu und bedecken sie mit einem elektrisch isolierenden Polymer (um zu verhindern, dass die dünne Nickelfolie einen Kurzschluss in der Batterie verursacht). Sobald die Batterietemperatur zu stark absinkt, leitet der Controller einen elektrischen Strom durch die Nickelfolie und erzeugt so eine große Menge Wärmeenergie, die das Batteriematerial schnell erhitzt. Halten Sie die Batterie im entladenen Zustand in einem relativ guten Betriebstemperaturbereich.

Wenn Sie bei niedrigen Temperaturen laden möchten, lädt das Ladegerät den Akku zunächst mit geringer Leistung, nutzt die während des Ladevorgangs vom Akku selbst erzeugte Wärme zum Vorwärmen des Akkus und führt dann eine schnelle Aufladung mit hoher Leistung durch, wenn die Akkutemperatur auf einen geeigneten Bereich ansteigt.

Artikel 3: Externe Heizung . Die Batterie kann mit einer Vorheizvorrichtung ausgestattet werden (so wie man Menschen mit Heizungen oder Elektroherden ausstattet).

Die Batterie liefert zunächst eine kleine Menge Strom an das Vorheizgerät , und das Vorheizgerät erzeugt Wärme, um die Batterietemperatur zu erhöhen. Erst nach Erreichen der entsprechenden Betriebstemperatur geht die Batterie in einen normalen Betriebszustand über. Einige Elektrofahrzeuge sind mit einer Batterievorheizfunktion ausgestattet. Vor der Verwendung des Fahrzeugs im Winter muss die Batterie vorgewärmt werden, damit das Fahrzeug in den normalen Betriebszustand versetzt werden kann.

Methode zum Vorwärmen der Batterie. Bildquelle: Referenzen

Niedertemperatur-Lithiumbatterie

Die Zukunft ist vielversprechend

Vor Kurzem wurde das erste für kalte Regionen des Landes geeignete elektrische Schubboot „Linghang Nr. 1“ mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien erfolgreich in einem Nebenfluss des Songhua-Flusses vom Stapel gelassen. Es übersteht Temperaturen von bis zu minus 30 Grad Celsius.

„Linghang Nr. 1“ – Boot mit Elektroantrieb für kalte Regionen. Bildquelle: China Science Daily

Die Leistungsdefizite der Niedertemperaturbatterien werden Schritt für Schritt ausgeglichen . Vielleicht fahren in einigen Jahren Elektroautos in arktischen Forschungsstationen. Bis dahin werden die Batterien, die einen solchen „Monstertest“ in der Arktis überstehen, sicherlich auch in unserer alltäglichen Umgebung, dem „Neulingsdorf“, eine stabile Leistung erbringen können!

Quellen:

[1] Luo S, Wang Z, Li X, et al. Wachstum von Lithium-Indium-Dendriten in Festkörperbatterien auf Lithiumbasis mit Sulfidelektrolyten[J]. Nature Communications, Nature Publishing Group, 2021, 12(1): 6968.

[2] Sun Tonghui. Forschung zur Heizmethode für Lithiumbatterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen[D]. Zivilluftfahrt-Fluguniversität von China, 2022.

[3] Tao Zheng, Peng Jichang, Meng Gaojun et al. Ein Überblick über die Forschung zu Niedertemperatur-Vorwärmmethoden für Lithium-Ionen-Batterien[J]. Energiequellen-Technologie, 2022, 46(9): 949–953.

[4] Wu Jinghua, Yang Jing, Liu Gaozhan et al. Ein Rückblick und Ausblick auf Festkörper-Lithiumbatterien über das Jahrzehnt[J]. Wissenschaft und Technologie der Energiespeicherung, : 1–30.

[5] Prinzip und Anwendung des Herstellungsprozesses von Lithium-Ionen-Batterien (Yang Shaobin, Liang Zheng) (z-lib.org).pdf[J]. .

[6] Wang Suhang, Li Jianlin, Li Yaxin et al. Niedrigtemperatur-Ladestrategie für Lithium-Ionen-Batteriesysteme[J]. Energiespeicherwissenschaft und -technologie, 2022, 11(5): 1537–1542.

[7] Su Linhua, Gao Chunhui, Chen Mingguo et al. Verbesserung der Niedertemperaturleistung von LiFePO_4-Lithium-Ionen-Batterien[J]. Battery, 2022, 52(1): 63–66.

[8] Testbatterie_ Wissenschaftler finden heraus, wie man verfolgen kann, was im Inneren von Batterien passiert_ Argonne National Laboratory.pdf[J].

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Autor: Gesalzener Fisch im Meer

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