Le "temperature fredde" sono tremendamente vaghe. Prima di tutto, lasciami specificare alcuni numeri reali, difficili.
Non caricare batterie agli ioni di litio al di sotto di 0 ° C / 32 ° F. In altre parole, non caricare mai una batteria agli ioni di litio che si trova sotto lo zero.
Farlo anche una volta comporterà una perdita di capacità improvvisa, grave e permanente dell'ordine di alcune dozzine o più, nonché un aumento simile e permanente della resistenza interna. Questo danno si verifica dopo un solo evento isolato di "ricarica a freddo" ed è proporzionale alla velocità di carica della cella.
Ma, cosa ancora più importante, una cella agli ioni di litio che è stata caricata a freddo NON è sicura e deve essere riciclata in modo sicuro o altrimenti eliminata. Non sicuro, voglio dire che funzionerà bene fino a quando non esploderà in modo casuale a causa di vibrazioni meccaniche, scosse meccaniche o semplicemente raggiungendo uno stato di carica sufficientemente elevato.
Ora, per rispondere effettivamente alla tua domanda: perché è questo?
Ciò richiede un breve riepilogo del funzionamento delle batterie agli ioni di litio. Hanno un anodo, un catodo ed un elettrolita proprio come qualsiasi altra batteria, ma c'è una svolta: gli ioni di litio si spostano effettivamente dal catodo all'anodo durante la carica e si intercalano . L'essenza dell'intercalazione è che molecole o ioni (ioni di litio in questo caso) sono stipati tra gli spazi molecolari del reticolo di alcuni materiali.
Durante la scarica, gli ioni litio lasciano l'anodo e ritornano al catodo, e allo stesso modo si intercalano nel catodo. Quindi sia il catodo che l'anodo agiscono come una sorta di "spugna" per gli ioni di litio.
Quando la maggior parte degli ioni di litio sono intercalati nel catodo (il che significa che la batteria è in uno stato abbastanza scarica), il materiale catodico si espanderà leggermente a causa della tensione volumetrica (a causa di tutti gli atomi extra incuneati tra il suo reticolo), ma generalmente la maggior parte di questo la forza di intercalazione viene convertita in sollecitazioni interne (analoga al vetro temperato), quindi la deformazione volumetrica è lieve.
Durante la carica, gli ioni litio lasciano il catodo e si intercalano nell'anodo di grafite. La grafite ha fondamentalmente un biscotto al carbonio, fatto di un mucchio di strati di grafene per formare una struttura di biscotto aggregata. Struttura americana del biscotto.
Ciò riduce notevolmente la capacità dell'anodo di grafite di convertire la forza dall'intercalamento in sollecitazioni interne, quindi l'anodo subisce una sollecitazione volumetrica significativamente maggiore, al punto che aumenterà effettivamente di volume del 10-20%. Questo deve essere (ed è - tranne nel caso di una certa batteria del telefono Samsung comunque) consentito quando si progetta una cella agli ioni di litio - altrimenti l'anodo può indebolire lentamente o addirittura infine perforare la membrana interna che separa l'anodo dal catodo, causando un morto morto dentro la cella. Ma solo una volta un gruppo di joule è stato inserito nella cella (espandendo così l'anodo).
Ok ok, ma cosa c'entra questo con le temperature fredde?
Quando si carica una cella a ioni di litio a temperature sotto lo zero, la maggior parte degli ioni di litio non riesce a intercalare nell'anodo di grafite. Invece, placcano l'anodo con litio metallico, proprio come galvanizzare una moneta anodica con un metallo prezioso catodico. Quindi la carica galvanica l'anodo con litio anziché ricaricarlo. Alcuni degli ioni da intercalare nell'anodo e alcuni degli atomi nella placcatura metallica intercaleranno più tardi dopo oltre 20 ore se la cellula viene lasciata riposare, ma la maggior parte no. Questa è la fonte della riduzione della capacità, della maggiore resistenza interna e anche del pericolo.
Se hai letto la mia risposta correlata sullo scambio di stack alla domanda "Perché c'è così tanta paura che circonda le batterie agli ioni di litio?", Probabilmente puoi vedere dove sta andando.
Questa placcatura al litio dell'anodo non è bella e liscia e uniforme - si forma in dendriti, piccoli viticci affilati di litio metallico che crescono sull'anodo.
Come con gli altri meccanismi di guasto che sono anche dovuti alla placcatura di litio metallico dell'anodo (anche se per motivi diversi), questi dendriti possono esercitare una pressione inaspettata sulla membrana di separazione quando l'anodo si espande e li forza in esso, e se sei sfortunato , questo causerà un giorno la rottura improvvisa della membrana (o anche immediatamente, a volte un dendrite fa solo un buco e tocca il catodo). Questo ovviamente fa sfogare la cellula, accendere il suo elettrolita infiammabile e rovinare il tuo fine settimana (nella migliore delle ipotesi).
Ma ti starai chiedendo " perché temperature sotto lo zero causano la placcatura al litio dei metalli dell'anodo?"
E la risposta sfortunata e insoddisfacente è che in realtà non lo sappiamo. Dobbiamo usare l'imaging dei neutroni per guardare all'interno delle cellule agli ioni di litio funzionanti, e considerando che ci sono solo circa 30 (31 penso?) Reattori di ricerca attivi in tutto il mondo (reattori nucleari che agiscono come una sorgente di neutroni) che sono effettivamente disponibili per la ricerca scientifica in un l'università piuttosto che utilizzata per la produzione di isotopi medici, e tutti prenotati 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per esperimenti, penso che sia solo una questione di pazienza. Ci sono stati solo pochi casi di imaging dei neutroni delle batterie agli ioni di litio semplicemente a causa della scarsità di tempo dell'apparecchiatura.
L'ultima volta che questo è stato utilizzato appositamente per questo problema di temperatura fredda è stato il 2014, credo, ed ecco l'articolo .
Nonostante il titolo, non hanno ancora risolto esattamente cosa provoca la placcatura piuttosto che l'intercalazione quando la cella è sotto lo zero.
È interessante notare che in realtà è possibile caricare una cella a ioni di litio sotto lo zero, ma solo a correnti eccessivamente basse, al di sotto di 0,02 C (quindi più di un tempo di carica di 50 ore). Ci sono anche alcune celle esotiche disponibili in commercio che sono specificamente progettate per essere addebitabili a basse temperature, di solito a costi significativi (sia in termini monetari che in termini di prestazioni delle celle in altre aree).
Nota: dovrei aggiungere che scaricare una batteria agli ioni di litio a temperature sotto lo zero è perfettamente sicuro. La maggior parte delle celle ha una temperatura di mandata di -20 ° C o anche più fredda. È necessario evitare solo la ricarica di una cella "congelata".