極寒の環境でバッテリー駆動のデバイスを動作させる必要がある場合、機器と電源の両方がそのような過酷な条件に耐えられることを確認する必要があります。寒冷環境はバッテリーの性能に大きく影響するため、安全で効率的かつ長寿命な動作を実現するためには、適切なバッテリーの選択が不可欠です。
極寒環境に最適なバッテリーを選ぶには、低温が様々なバッテリータイプにどのような影響を与えるかを理解し、これらの過酷な環境下でも信頼性の高い性能を維持できるテクノロジーを特定する必要があります。バッテリーの中には、極寒条件で優れた性能を発揮するものもあれば、すぐに劣化してしまうものもあり、ミッションクリティカルな用途では適切なバッテリー選びが不可欠です。
この記事では、お客様のニーズにぴったり合う製品を選択できるように、これらすべてについて説明します。
低温はリチウム電池にどのような影響を与えますか?
簡単に言えば、極低温はバッテリー内で起こる化学反応を遅らせ、性能低下や永久的な損傷につながります。このような状況では、充電容量が低下し、内部抵抗が増加します。その結果、動作時間が短くなり、バッテリー寿命が短くなり、バッテリーが故障することもあります。
これらの問題を防ぐため、一般的なリチウム電池の推奨温度範囲は-20℃～-55℃です。この範囲外の環境では、安全性と電池寿命を確保するために、特別な低温対応電池が必要となります。
リチウム電池の低温損傷は永久的なものですか?
極度の低温により標準リチウム電池内で不可逆的な化学反応が引き起こされるため、その結果生じる損傷は永久的です。 バッテリー内で何がどのように正確に起こっているのかを理解するために、いくつかの基本から始めましょう。
リチウムイオン電池は正極と負極をそれぞれ1つずつ備えています。充電時には、リチウムイオンは正極格子から移動を開始し、電解質セパレーターを通過して負極へ移動し、グラファイト層に埋め込まれます。放電時には、その逆のことが起こり、リチウムイオンはグラファイト負極層から正極格子へと移動します。
低温にさらされると、輸送される分子の動きから反応速度、物質輸送プロセス全体まで、すべてが遅くなります。
この減速は、特にグラファイト層と正極格子内のリチウムイオンとリチウム原子に顕著です。リチウムはグラファイト層に埋め込まれるのではなく、電極と電解質の界面に蓄積し始め、充電中にリチウムデンドライト（負極表面に蓄積された金属リチウム）が形成されます。
これは不可逆的な変換反応であり、リチウム樹枝状結晶による構造的損傷の結果、容量の損失、短絡の増加、および安全上の問題を引き起こす可能性があります。
極低温下で電池を放電すると、正極活物質が劣化し、正極から活性粒子が剥離して遷移金属元素が負極へ移行し、金属粒子が蓄積します。その結果、電池内にリチウムが析出します。
標準のリチウム電池が低温にさらされるとどのくらい容量が失われますか?
ある研究では、標準的なリチウム電池を低温にさらすと、どれほどの容量が失われるかが実証されました。この研究では、電池を48時間低温に放置した後、室温に戻して、XNUMXつの設定下で容量低下をテストしました。
低速/小さな速度で充電および放電されたバッテリーは容量の 3.2% を失い、高速/大きな速度で充電および放電されたバッテリーはバッテリー容量の 6% を失いました。
図 3 に示すように、低温暴露によって生じる保管上の問題には、主に XNUMX つの原因があります。
- 正極の破断。
- 正極粒子が剥離するとバインダーが形成され、その結果電気化学的活性が低下します。
このような永久的な損傷は、保管上の問題に加え、バッテリーの完全な故障や、バッテリーの爆発などの安全上の危険につながる可能性があります。そのため、専門家は極寒の環境では特別に設計された低温用リチウムバッテリーの使用を推奨しています。
低温リチウム電池は標準的な電池とどう違うのですか?
標準バッテリーの推奨温度範囲は -20°C ～ +50°C ですが、特別に設計された低温リチウムバッテリーは -20°C 未満の温度でも安全かつ効率的に動作します。
これらのバッテリーは標準的なリチウムバッテリーと構造が似ていますが、エンジニアは電解質と膜を改良して、低温での充電、放電、エネルギー貯蔵をサポートします。
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