So wählen Sie die richtige Batterie für niedrige Temperaturen aus

Wenn Sie batteriebetriebene Geräte bei extrem kalten Temperaturen betreiben müssen, müssen Sie sicherstellen, dass sowohl die Maschine als auch ihre Stromquelle diesen rauen Bedingungen standhalten. Kälte beeinträchtigt die Batterieleistung erheblich. Daher ist die Wahl der richtigen Batterie entscheidend für einen sicheren, effektiven und langlebigen Betrieb.

Um die beste Batterie für extreme Kälte auszuwählen, sollten Sie verstehen, wie sich niedrige Temperaturen auf verschiedene Batterietypen auswirken und welche Technologien in diesen anspruchsvollen Umgebungen eine zuverlässige Leistung gewährleisten. Manche Batterien zeichnen sich durch Kälte aus, während andere schnell versagen. Daher ist die richtige Auswahl für unternehmenskritische Anwendungen unerlässlich.

In diesem Artikel gehen wir auf all das ein, um Ihnen bei der Auswahl eines Produkts zu helfen, das genau Ihren Anforderungen entspricht.

Wie wirken sich niedrige Temperaturen auf Lithiumbatterien aus?

Vereinfacht ausgedrückt: Extrem niedrige Temperaturen verlangsamen die chemischen Reaktionen in einer Batterie, was zu Leistungseinbußen und dauerhaften Schäden führt. Unter solchen Bedingungen sinkt die Ladekapazität, während der Innenwiderstand steigt. All dies führt zu kürzeren Laufzeiten, einer verringerten Batterielebensdauer und schließlich zum Batterieausfall.

Um diese Probleme zu vermeiden, wird für herkömmliche Lithiumbatterien ein Temperaturbereich von -20 °C bis -55 °C empfohlen. Für Temperaturen außerhalb dieses Bereichs benötigen Sie spezielle Niedertemperaturbatterien, um Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten.

Sind niedrige Temperaturen dauerhafte Schäden an Lithiumbatterien?

Da extrem niedrige Temperaturen in Standard-Lithiumbatterien chemische Reaktionen hervorrufen, die irreversibel sind, sind die daraus resultierenden Schäden dauerhaft. Um zu verstehen, was genau in der Batterie passiert und wie, beginnen wir mit einigen Grundlagen.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine positive und eine negative Elektrode. Beim Laden beginnen die Lithium-Ionen ihre Reise am positiven Elektrodengitter, wandern durch den Elektrolytseparator zur negativen Elektrode und lagern sich in den Graphitschichten ein. Beim Entladen geschieht der umgekehrte Vorgang: Die Lithium-Ionen wandern von der Graphitschicht der negativen Elektrode zum positiven Elektrodengitter.

Bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich alles, von der Bewegung der transportierten Moleküle über die Reaktionsgeschwindigkeit bis hin zum gesamten Materialtransportprozess.

Diese Verlangsamung betrifft insbesondere die Lithiumionen und -atome in den Graphitschichten und im Gitter der positiven Elektrode. Lithium lagert sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt an, anstatt in die Graphitschicht eingebettet zu werden. Dies führt beim Laden zur Bildung von Lithiumdendriten (Ansammlung von metallischem Lithium an der Oberfläche der negativen Elektrode).

Hierbei handelt es sich um eine irreversible Umwandlungsreaktion, die zu Kapazitätsverlusten, vermehrten Kurzschlüssen und Sicherheitsrisiken durch Strukturschäden durch die Lithiumdendriten führen kann.

Wenn sich eine Batterie bei extrem niedrigen Temperaturen entlädt, zersetzt sich das positive Aktivmaterial und es sammeln sich Metallpartikel an, da Aktivpartikel von der positiven Elektrode abplatzen und Übergangsmetalle zur negativen Elektrode wandern. Dies führt zu Lithiumablagerungen in der Batterie.

Wie viel Kapazität geht verloren, wenn Standard-Lithiumbatterien kalten Temperaturen ausgesetzt werden?

In einer Studie haben Forscher nachgewiesen, wie viel Kapazität verloren gehen kann, wenn Standard-Lithiumbatterien niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Dazu ließen die Forscher die Batterien 48 Stunden lang kalt, erwärmten sie dann wieder auf Raumtemperatur und testeten sie anschließend unter zwei verschiedenen Bedingungen auf Kapazitätsverlust.

Batterien, die mit einer langsamen/geringen Rate geladen und entladen wurden, verloren 3.2 % ihrer Kapazität, und Batterien, die mit einer schnellen/hohen Rate geladen und entladen wurden, verloren 6 % ihrer Batteriekapazität.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, gibt es zwei Hauptursachen für Lagerungsprobleme aufgrund niedriger Temperaturen:

1. Der Bruch der positiven Elektrode.
2. Durch die Ablösung positiver Elektrodenpartikel entsteht das Bindemittel und die daraus resultierende Abnahme der elektrochemischen Aktivität.

Neben Lagerproblemen können solche dauerhaften Schäden zum vollständigen Ausfall der Batterie und sogar zu Sicherheitsrisiken wie einer Explosion führen. Deshalb empfehlen Experten, in extrem kalten Umgebungen speziell entwickelte Lithium-Ionen-Batterien für niedrige Temperaturen zu verwenden.

Wie unterscheiden sich Niedertemperatur-Lithiumbatterien von Standardbatterien?

Während für Standardbatterien ein Temperaturbereich von -20 °C bis +50 °C empfohlen wird, können speziell entwickelte Niedertemperatur-Lithiumbatterien bei Temperaturen unter -20 °C sicher und effektiv betrieben werden.

Diese Batterien haben eine ähnliche Struktur wie herkömmliche Lithiumbatterien, aber die Ingenieure modifizieren ihre Elektrolyte und Membranen, um das Laden, Entladen und die Energiespeicherung bei kälteren Temperaturen zu unterstützen.

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