Autobaterie a způsoby její údržby v zimním období

Z hlediska teorie porézních elektrod s dvojnásobně rozdělenými parametry je uvažován vliv teploty na kapacitu jednotlivých elektrod a baterií jako celku.

Klíčová slova: kapacita elektrod, kapacita baterie, teplotní efekt, aktivační energie, systémy s distribuovanými parametry, difúze v pevné fázi

Nejdůležitější vlastností každé baterie, včetně lithium-iontové a sodíkové-iontové, je teplotní rozsah jejího výkonu. Ve většině případů je uvažovaný teplotní rozsah od –50 do +50 °C; překročení tohoto rozsahu je zvláštní případ.

Rychlosti generování proudu a vedlejších procesů v lithium-iontových bateriích závisí na teplotě a tato závislost je obecně aktivační povahy, a proto je to spojitá funkce. Mohou nastat případy prahových závislostí charakteristik baterie na teplotě (během fázových přechodů, strukturální restrukturalizace atd.); v těchto případech lze teplotní závislosti popsat nespojitými funkcemi. Změna rychlosti jednotlivých fází proudotvorného procesu s teplotou vede ke změně polarizace: při poklesu teploty se polarizace zvyšuje, tedy při zachování všech ostatních věcí se zvyšuje nabíjecí napětí baterie a snižuje se vybíjecí napětí. Snížení teploty přitom obvykle vede ke snížení kapacity vybíjení a nabíjení a přesná podstata tohoto jevu není zřejmá.

Výbojová kapacita je totiž dána zvolenou hodnotou koncového napětí a v závislosti na konkrétním typu vybíjecí křivky má změna vybíjecí kapacity způsobená změnou polarizace se změnou teploty různý charakter. Tato situace je dobře patrná z obr. 1, který ukazuje příklady vybíjecích křivek s prudkým poklesem napětí na konci výboje (obr. 1a) a s plynulým poklesem napětí při postupu vybíjení (obr. 1b). Jak je vidět, v prvním případě vybíjecí kapacita Q téměř nezávisí na teplotě a hlavně nezávisí na zvolené hodnotě konečného napětí a ve druhém případě s klesající teplotou prudce klesá a silně závisí na libovolně zvolené hodnotě konečného napětí. Podobné úvahy platí pro kapacitu nabíjení.

Obr. 1.

Změna vybíjecí kapacity s teplotou pro baterie s vybíjecí křivkou s prudkým poklesem napětí na konci vybíjení (a) a pro baterie s plynulým poklesem napětí (b). Teploty t₁ < t₂ < t₃ < t₄.

Procesy generující proud v baterii jsou vícestupňové a rychlosti různých stupňů závisí různě na teplotě, takže konečná závislost polohy vybíjecí nebo nabíjecí křivky na teplotě může být poměrně složitá. Na obr. 2 jsou uvedeny příklady závislosti vybíjecí kapacity různých lithium-iontových baterií na teplotě, zkonstruované podle literárních údajů. S přihlédnutím k aktivační povaze hlavních procesů probíhajících v baterii jsou tyto závislosti prezentovány v souřadnicích „logaritmus kapacity – inverzní absolutní teplota“.

Obr. 2.

Teplotní závislost vybíjecí kapacity baterií: (a) baterie směsného systému lithium nikl-oxid grafit podle údajů z [1]; b) NMC-grafitové baterie s různými elektrolyty podle [2]; (in) LiMn systémové baterie₂O₄– grafit s různými gel-polymerovými elektrolyty podle údajů [3]; (g) baterie s polymerním elektrolytem podle [4]; d) laboratorní modely baterií systému LiMn₂O₄– Li₄Ti₅O₁₂ (1), LiFePO₄– grafit (2), NCA – grafit (3), LiFePO₄– Li₄Ti₅O₁₂ (4) podle [5]; (e) laboratorní model systému NCA-grafitové baterie podle údajů z [6].

Je třeba poznamenat, že různé literární zdroje používají různá znázornění závislosti kapacity na teplotě. V některých případech (jako na obr. 2b a 2d) je kapacita vyjádřena v absolutních jednotkách (QmA h/g). V jiných případech se používají relativní veličiny, jako je poměr kapacity při dané teplotě ke kapacitě stejné elektrody při pokojové teplotě (q). Charakter teplotní závislosti je přenášen stejným způsobem jako v souřadnicích lg Q od 1/Т, stejně jako v souřadnicích lg q od 1/Т.

V některých případech lze na křivkách na obr. 2 rozlišit dva úseky blízké lineární: vysokoteplotní úsek s menším sklonem dlg Q/d(1/T) a nízkoteplotní úsek s velkým sklonem (například obr. 2a, 2b, 2d). V ostatních případech je pozorován hladký nárůst sklonu dlg Q/d(1/T) při poklesu teploty (například obr. 2b, 2e). Závislost kapacity jednotlivých elektrod na teplotě se přirozeně vyjadřuje obecně stejně. Příklady teplotní závislosti kapacity jednotlivých elektrod jsou na obr. 3. Obr.

Obr. 3.

Teplotní závislost vybíjecí kapacity jednotlivých elektrod. (a) Uhlíkové elektrody: (1) tepelně expandovaný grafit (podle [7]), (2) koks (podle [8]), (3) grafit (podle [9]); (b) Li elektrody₄Ti₅O₁₂: (1) podle [9]), (2) podle [10]), (3) podle [11]); (c – elektrody vyrobené z NMC (podle údajů z [12]); (d) elektrody vyrobené z LiFePO₄ (podle [13] prázdné ikony, podle [14] plné ikony).

V práci [7] se při studiu vlivu teploty na interkalaci lithia do tepelně expandovaného grafitu předpokládalo, že kinetiku tohoto procesu určuje pouze difúze lithia v grafitové fázi. Za galvanostatických podmínek při relativně nízkých proudových hustotách je lithium zabudováno do celé hloubky grafitových částic. S rostoucí proudovou hustotou se tloušťka difúzní vrstvy v okamžiku dosažení nulového potenciálu (tj. když je doba galvanostatického experimentu rovna době přechodu τ) zmenšuje než velikost částic grafitu a výbojová kapacita se ukazuje být menší než mezní. Doba přechodu za podmínek ploché polonekonečné difúze je určena výrazem

(1)

$tau = < ^>^>D^>> mathord ^>^>D^>> ^>>>> správně. kern-0em> ^>>>, $

zde i – proudová hustota vypočtená na plochu skutečného povrchu elektrody, n – počet elektronů účastnících se výbojové reakce nesené difuzní částicí, c и D – koncentrace a difúzní koeficient difúzních částic, F – Faradayova konstanta.

Za galvanostatických podmínek je vybíjecí kapacita úměrná době přechodu, a tedy úměrná koeficientu difúze lithia. Je zřejmé, že za těchto podmínek se teplotní závislost výbojové kapacity shoduje s teplotní závislostí difúzního koeficientu. Data z práce [7] v teplotním rozsahu od –40 do –15°C jsou skutečně dobře linearizována v souřadnicích lg. Q, 1 /Ta při teplotách od 0 do 37°C je kapacita prakticky nezávislá na teplotě (obr. 3a, ikony 1). Sklon lineárního úseku je v tomto případě 3.45 K, což formálně odpovídá aktivační energii asi 66 kJ/mol; Tato hodnota jednoznačně převyšuje aktivační energii difúze. Toto nadhodnocení sklonu lineárního řezu bylo v [7] vysvětleno tím, že zkoumané elektrody jsou porézní objekty s poměrně širokým rozložením velikostí částic. S klesající teplotou klesá difúzní koeficient, zmenšuje se tloušťka difuzní vrstvy a zvyšující se počet částic není lithiován do své plné hloubky. Závislost kapacity na teplotě je tedy strmější než u homodisperzní elektrody, což odpovídá vyšší zdánlivé aktivační energii.

Vysvětlení povahy teplotní závislosti kapacity interkalačních elektrod uvedené v [7] je třeba považovat za velmi přibližné. Geometrie difúze v submikronových částicích grafitu není ani zdaleka lineární polonekonečná. Ale hlavní je, že celou elektrodu je třeba považovat za systém s dvojnásobně rozloženými parametry: 1) jako porézní předmět naplněný elektrolytem, ​​intenzita procesu, při kterém se tlumí s hloubkou aktivní vrstvy, 2) jako předmět skládající se z jednotlivých částic, přičemž intenzita difúze se mění s hloubkou každé částice. V [7] bylo zohledněno pouze druhé rozdělení parametrů.

Z teorie kapalných porézních elektrod vyplývá, že nerovnoměrné rozložení procesu po hloubce porézní elektrody je určeno poměrem rychlostní konstanty elektrodové reakce (k) a difúzní koeficient iontů v kapalném elektrolytu vyplňujícím póry elektrody (D), nebo mezi rychlostní konstantou elektrodové reakce a měrnou vodivostí elektrolytu (κ) [15, 16]. Hloubka průniku procesu je určena tzv. charakteristickou difuzí (L_d) a charakteristická ohmická délka (L_o), které jsou vyjádřeny následujícími vzorci:

(2)

$>> = sqrt mathord >> správně. kern-0em> >> ,$ mathord >> správně. kern-0em> >> ,$

Zima s sebou přináší malebnou zasněženou krajinu a příjemné večery u krbu. Ale jak každý zkušený motorista ví, toto je také obtížné období pro autobaterii, protože nízké teploty si vybírají svou daň na této životně důležité součásti. Chladné počasí způsobuje pomalé spouštění baterie a potenciální selhání, což snižuje výkon. Proto je nesmírně důležité vědět, jak se o něj v zimě správně starat. Níže prozkoumáme vztah mezi autobaterií a nízkými teplotami a podělíme se o důležité tipy, jak ji udržet v provozuschopném stavu během zimních měsíců.

Autobaterie – k čemu se používá?

Než se ponoříme do toho, jak nízké teploty ovlivňují autobaterii, je důležité pochopit, co je baterie a její hlavní funkce. Autobaterie je v podstatě zařízení, které uchovává elektrickou energii a přeměňuje ji na energii potřebnou k nastartování vozu a provozu různých elektrických systémů, jako jsou světlomety, rádio a elektricky ovládaná okna.

Čtěte také: Nejoblíbenější autodoplňky v roce 2024

Jak chladné počasí ovlivňuje výkon baterie

Zima může být vážnou výzvou pro baterii vašeho vozidla. Nízká teplota vzduchu má významný vliv na výkon baterie z následujících důvodů:

• Chemické reakce jsou zpomalené – Nízké teploty zpomalují chemické reakce, které se vyskytují uvnitř baterie, brání baterii produkovat energii potřebnou ke spuštění motoru a způsobují pomalé protáčení a pomalejší startování.
• Zvýšený vnitřní odpor – Nízké teploty zvyšují vnitřní odpor baterie, což snižuje její účinnost při dodávání elektřiny, což má za následek pokles výstupního napětí a dále snižuje potenciál baterie nastartovat vozidlo.
• Snížená kapacita – Nízké teploty snižují celkovou kapacitu baterie, což znamená, že ukládá méně energie, což způsobuje rychlejší vybíjení baterie, zejména pokud s vozidlem nejezdíte pravidelně.

• Zahuštěný motorový olej – extrémně nízké teploty vzduchu přispívají k houstnutí motorového oleje a jeho obtížnosti při roztírání. Z tohoto důvodu se při pokusu o nastartování motoru vytváří dodatečné zatížení baterie.

Čtěte také: Tipy pro bezpečnou jízdu

Jak správně pečovat o baterii v zimě

Pro zajištění optimálního výkonu baterie během zimy je nezbytná správná údržba. Zde je několik užitečných tipů:

• Zkontrolujte životnost baterie. Jedním z prvních kroků při přípravě baterie na zimu je posouzení jejího stáří. Průměrná životnost baterie je obvykle tři až pět let. Jakmile se vaše baterie přiblíží této značce, možná je čas zvážit její výměnu. Staré baterie jsou v chladném počasí náchylnější k poruchám, takže nákup nové vám může později ušetřit případné bolesti hlavy.

• Udržujte baterii v čistotě. Čistá baterie je šťastná baterie. Postupem času se na svorkách může vytvořit koroze, která brání toku elektřiny. Chcete-li baterii vyčistit, postupujte takto:

1. Odpojte kabely baterie, začněte záporným (černým) kabelem.
2. Otřete svorky drátěným kartáčem, abyste odstranili veškeré stopy koroze.
3. Připravte směs jedlé sody a vody, abyste důkladně vyčistili koncovky.
4. Znovu připojte kabely, začněte kladným (červeným) kabelem.
• Izolujte baterii. Zimní izolace může výrazně ovlivnit výkon baterie v chladném počasí. Můžete použít izolační přikrývku nebo obal na baterie speciálně navržený pro tento účel. Tyto produkty pomáhají udržovat stabilní teplotu kolem baterie, zabraňují jejímu přílišnému vychladnutí a zajišťují efektivní provoz.
• Udržujte plné nabití. Abyste zajistili, že se vaše baterie přes zimu nevybije, zvažte použití přípravku na údržbu baterie nebo udržovací nabíječky. Tato zařízení udrží baterii plně nabitou, čímž zabrání tomu, aby se zpomalila a přestala reagovat, když potřebujete nastartovat auto.
• Jezděte pravidelně – krátké cesty nemusí poskytnout dostatek času na nabití baterie, zejména v zimě, kdy je již ve stresu. Snažte se podnikat delší cesty, kdykoli je to možné, abyste umožnili alternátoru správně nabít baterii.
• Zaparkujte své auto v garáži nebo v chráněné oblasti. Ochrana vozidla před chladným počasím snižuje zatížení baterie a zvyšuje její životnost.

Na závěr poznamenáváme, že zimní období vytváří značné potíže pro autobaterii, ale se správnými znalostmi a dovednostmi, metodami údržby, můžete jejich dopad snížit na minimum. Když pochopíte, jak chladné počasí ovlivňuje vaši baterii, a budete se řídit doporučenými tipy pro údržbu, můžete zajistit, že vaše vozidlo bude spolehlivě nastartovat a bude fungovat optimálně i v nejchladnějším počasí. Pomocí výše uvedených kroků si můžete užívat plynulou a bezproblémovou jízdu po celou zimní sezónu s vědomím, že baterie vašeho vozidla je dobře připravena na nízké teploty. Nedovolte, aby zimní zima zastavila vaše dobrodružství na cestách.