Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

Ruimtevaartuigen reizen door omgevingen die vijandig zijn voor bijna alles wat we kennen. In de diepe stilte van de ruimte kunnen temperaturen ver onder het vriespunt van water dalen, en de batterijen die deze missies van stroom voorzien, moeten deze kou overleven zonder uit te vallen. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op op maat gemaakte batterijen die specifiek voor deze extreme omstandigheden zijn ontworpen. Echter, een meer praktische en kosteneffectieve oplossing is naar voren gekomen: het gebruik van dezelfde hoogwaardige lithium-ion batterijen die in consumentenelektronica worden gevonden, bekend als commerciële 'off-the-shelf' cellen. Deze batterijen worden in massa geproduceerd, zijn zeer consistent en bieden een indrukwekkende energiedichtheid. Toch zit er een addertje onder het gras. Ze zijn ontworpen om te worden opgeladen bij milde temperaturen, en wanneer ze gedwongen worden te opereren in de diepe kou van de ruimte, kan er een gevaarlijk chemisch proces in optreden. Wanneer een lithium-ion batterij in de kou wordt opgeladen, kunnen lithium-ionen zich op het oppervlak van de negatieve elektrode nestelen in plaats van erin weg te zakken. Dit creëert een laag van metallisch lithium, een fenomeen dat lithiumplating wordt genoemd. Deze opbouw is niet alleen een teken van slijtage; het kan de capaciteit van de batterij permanent beschadigen en in ernstige gevallen leiden tot veiligheidsrisico's zoals kortsluitingen of branden.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe schijn om te begrijpen hoe men deze gevaarlijke plating kan voorkomen bij een specifieke, veelgebruikte commerciële batterij, de LG Chem HG2, wanneer deze wordt blootgesteld aan de vrieskou van de ruimte. Ze richtten zich op een eenvoudige vraag: maakt het uit hoe je een batterij behandelt voordat deze koud wordt? Specifiek wilden ze weten of het herhaaldelijk opwarmen en opladen van de batterij voordat deze de kou in gaat, de batterij resistenter tegen plating zou maken dan wanneer deze simpelweg in de warmte blijft zitten of direct de kou in gaat. Om het antwoord te vinden, combineerden ze praktijkexperimenten met krachtige computersimulaties die in de microscopische structuur van de batterij konden kijken. De resultaten onthulden een verrassende waarheid over hoe de interne staat van de batterij, in plaats van alleen de oppervlakteconditie, het overleven in de kou bepaalt.

De onderzoekers testten drie verschillende groepen van deze commerciële batterijen om te zien hoe ze zouden reageren bij minus 20 graden Celsius. De eerste groep onderging een "preconditioneringsfase" waarbij ze twee weken lang herhaaldelijk werden opgeladen en ontladen bij een warme 30 graden Celsius. De tweede groep werd voor dezelfde periode simpelweg in diezelfde warme temperatuur bewaard zonder te worden opgeladen of ontladen. De derde groep kreeg geen speciale behandeling; zij werden rechtstreeks van kamertemperatuur in de kou geplaatst voor testen. Na deze initiële stappen werden alle batterijen onderworod aan dezelfde strenge cyclus-test bij minus 20 graden Celsius. Het doel was om te zoeken naar tekenen van lithiumplating, wat zich vaak openbaart door specifieke veranderingen in het voltage van de batterij tijdens het ontladen.

De resultaten waren duidelijk en onderscheidend. De batterijen die in de warmte waren bewaard of direct in de kou waren gestuurd, vertoonden sterke tekenen van lithiumplating. Wanneer deze batterijen werden ontladen, vertoonden hun spanningscurves specifieke plateaus, en analyse van hun spanningsveranderingen gaf aan dat er metallisch lithium was gevormd en weer werd weggestript. Dit is een teken van degradatie en potentieel gevaar. In contrast hiermee vertoonden de batterijen die waren gepreconditioneerd door ze op de warme temperatuur te cyclen, geen dergelijke tekenen. Ze cycleerden efficiënter, behielden hun capaciteit beter en vertoonden geen bewijs van de gevaarlijke lithiumopbouw. De gegevens suggereerden dat het proces van het opladen en ontladen van de batterij terwijl deze warm was, het gedrag fundamenteel veranderde, waardoor het veel veerkrachtiger werd wanneer het uiteindelijk de kou tegenkwam.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, wendden de onderzoekers zich tot een geavanceerd computermodel. Ze bouwden een digitale tweeling van de batterij, gebruikmakend van gedetailleerde 3D-beelden van de microscopische structuur van de elektrode, genomen met een hogeresolutie scanner. Dit stelde hen in staat om de beweging van ionen en elektronen binnen de batterij met ongelooflijke precisie te simuleren. De simulatie volgde een belangrijke factor genaamd overpotentiaal, wat in essentie de extra elektrische druk is die nodig is om de chemische reacties vooruit te helpen. Als deze druk te laag wordt, zullen lithium-ionen zich als metaal op het oppervlak nestelen in plaats van de elektrode binnen te gaan. De simulatie bevestigde dat de gepreconditioneerde batterijen een hogere weerstand hadden tegen deze plating-conditie vergeleken met de anderen.

De studie ging vervolgens dieper in op de oorzaak van dit verschil. Men zou kunnen aannemen dat het warme cyclen de fysieke coating op de elektrode, bekend als de solid-electrolyte interphase, taaier had gemaakt. De simulatie toonde echter aan dat de dikte en samenstelling van deze coating niet de primaire drijfveren van het verschil waren. In plaats daarvan was de belangrijkste factor de state of charge van de batterij — de hoeveelheid opgeslagen energie erin — op het moment dat deze de kou binnenging. De batterijen die door het cyclen waren gepreconditioneerd, eindigden in een andere state of charge dan de batterijen die simpelweg waren opgeslagen of onbehandeld waren gelaten. Wanneer de gepreconditioneerde batterijen werden afgekoeld, begonnen ze hun koude cyclus met een hoger niveau van opgeslagen energie. Dit hogere startpunt betekende dat tijdens de eerste lading in de kou de lithium-ionen vrijer konden bewegen en zich correct binnen de elektrode konden nestelen, in plaats van vast te komen zitten op het oppervlak. De batterijen die met een lagere state of charge begonnen, hadden meer moeite, wat leidde tot de condities die plating bevorderden.

De onderzoekers merkten ook op dat hoewel hun computermodellen konden verklaren waarom de gepreconditioneerde batterijen beter presteerden in de eerste paar cycli, ze niet volledig konden verklaren waarom de andere batterijen in de loop van de tijd bleven degraderen. De modellen toonden aan dat de neiging tot plating zou moeten stabiliseren, maar de experimenten lieten zien dat de schade met meer cycli juist erger werd. Dit suggereert dat zodra de initiële plating optreedt, dit een kettingreactie van fysieke veranderingen in gang zet — misschien scheuren in de beschermende coating of andere structurele verschuivingen — die de huidige modellen nog niet volledig vatten. Deze kloof tussen de simulatie en de echte wereldgegevens benadrukt de complexiteit van batterijchemie en de noodzaak voor voortdurend onderzoek.

Uiteindelijk biedt dit werk een praktisch stappenplan voor het gebruik van commerciële batterijen in de ruimte. Het demonstreert dat een eenvoudige opwarmroutine, bestaande uit herhaaldelijk opladen en ontladen, de capaciteit van een batterij aanzienlijk kan verbeteren om te overleven in vrieskoude temperaturen. Door ervoor te zorgen dat de batterij haar koude reis begint in de juiste state of charge, kunnen ingenieurs de gevaarlijke opbouw van metallisch lithium voorkomen. Deze bevinding is cruciaal voor toekomstige ruimtemissies, waarbij de betrouwbaarheid van de energievoorziening een kwestie van leven of dood is. De studie bevestigt dat hoewel deze commerciële cellen oorspronkelijk niet zijn ontworpen voor de diepe kou, ze met de juiste voorbereiding kunnen worden gedwongen om veilig en effectief te presteren in een van de meest vijandige omgevingen die men zich kan voorstellen.