Co se děje uvnitř lithiové baterie, když mrzne: ionty, elektrolyt a vnitřní odpor

Zdroj náhledové fotografie: Magnific.com

Při minus deseti stupních má lithiová baterie v sobě skoro stejně energie jako v létě. Jen se k ní nedá dostat stejně rychle. Za tímto paradoxem stojí několik dějů uvnitř článku, které chlad zpomalí každý jiným způsobem: pohyb iontů v elektrolytu, jejich přechod přes rozhraní elektrod a chemické reakce, které celé zařízení pohánějí. V tomto výkladu je projdeme jeden po druhém, s pomocí několika přirovnání, a ukážeme, proč elektromobil v lednu nabíjí pomaleji a proč olověná autobaterie odchází právě v prvních mrazech.

Baterie jako dvě parkoviště a silnice mezi nimi

Lithium-iontový článek má dvě elektrody. Záporná je v naprosté většině článků z grafitu, kladná z oxidu kovů, například niklu, manganu a kobaltu, nebo z fosforečnanu železa. Mezi nimi je tenká porézní fólie, separátor, a vše je nasáklé elektrolytem, kapalinou s rozpuštěnou lithiovou solí.

Představte si obě elektrody jako parkovací domy a elektrolyt jako silnici mezi nimi. Při nabíjení se ionty lithia přesouvají z kladné elektrody do grafitu, kde zaparkují mezi jeho vrstvy. Při vybíjení jedou zpátky. Elektrony přitom nejedou s nimi po silnici, ale oklikou přes vnější obvod, tedy přes telefon, notebook nebo motor auta. Proud, který zařízení pohání, je právě tahle obchvatová trasa elektronů. Vybíjení může běžet jen tak rychle, jak rychle stihnou ionty projet silnicí a vjet do parkovacího domu.

Elektrolyt houstne: dopravní zácpa v kapalině

Elektrolyt v běžných článcích tvoří organická rozpouštědla, tzv. uhličitany, s rozpuštěnou lithiovou solí. S klesající teplotou kapalina houstne podobně jako med v lednici a ionty se jí prodírají pomaleji. Přehledové práce o chování baterií v chladu uvádějí, že iontová vodivost elektrolytu s klesající teplotou prudce klesá a právě pomalý pohyb lithných iontů patří mezi hlavní slabiny článků při nízkých teplotách.

Pro představu poslouží srovnání s davem: v létě lidé procházejí halou volně, v zimě mají na sobě tlusté bundy a do sebe narážejí. Hala je stejně velká, lidí stejně, jen průchod trvá déle.

Vrátnice na vjezdu: rozhraní elektrod

Zácpa na silnici je jen část problému. Na povrchu grafitu se už při prvních nabitích vytvoří tenká ochranná vrstva, odborně SEI (solid electrolyte interphase). Funguje jako vrátnice: lithné ionty pustí, ale rozpouštědlo ne. Iont proto musí na vjezdu „svléknout kabát“ z molekul rozpouštědla, které ho obalují, projít vrstvou a teprve pak zaparkovat.

Tyto kroky jsou chemické reakce a pro ty v chemii platí staré pravidlo: s poklesem teploty o deset stupňů se rychlost mnoha reakcí zpomalí zhruba dvakrát až čtyřikrát. Při minus deseti tedy vrátnice odbavuje auta několikanásobně pomaleji než při pokojové teplotě. Přesná čísla se liší podle chemie článku, princip ale zůstává.

Vnitřní odpor: proč elektronika vypne, i když energie zbývá

Všechny ty zácpy a pomalé vrátnice se navenek projeví jako jedna veličina, vnitřní odpor článku. Čím je vyšší, tím víc napětí se „ztratí“ uvnitř baterie, když z ní tečou větší proudy. Představte si hadici, která se v zimě zúží: dokud jen kape, nic nepoznáte, ale když otočíte kohoutkem naplno, tlak na konci spadne.

Elektronika hlídá napětí, ne skutečnou energii. Když přijde krátká špička, třeba spuštění fotoaparátu, akcelerace auta nebo kompilace v notebooku, napětí na studeném článku na okamžik klesne pod bezpečnou hranici a řídicí obvod raději zařízení vypne nebo omezí výkon. Energie v článku přitom pořád je. Po zahřátí vnitřní odpor zase klesne a ukazatel „najde“ ztracená procenta. Starší baterie mají vnitřní odpor vyšší už v létě, a proto na mráz reagují citlivěji než nové.

Lithium plating: co se stane, když nabíjíte studený článek

Při vybíjení chlad škodí jen dočasně. Při nabíjení může škodit trvale. Grafit pracuje při napětí velmi blízkém tomu, při kterém se z lithných iontů vylučuje kovové lithium. V teple ionty stihnou vjet mezi vrstvy grafitu. V chladu se před vrátnicí hromadí, a pokud je nabíjecí proud příliš velký, část z nich se „zaparkuje na ulici“: vyloučí se na povrchu elektrody jako tenká vrstva kovového lithia. Tomuto jevu se říká lithium plating, česky pokovování lithiem.

Takto usazené lithium se už do reakcí plně nevrací, kapacita článku proto trvale klesá. Při opakování mohou vznikat jehličkovité útvary, dendrity, které zvyšují riziko vnitřního zkratu. Přehledové studie řadí nízkou teplotu a rychlé nabíjení mezi hlavní příčiny pokovování grafitové anody. Proto řídicí systémy baterií v chladu nabíjení zpomalují nebo úplně zastavují a výrobci elektroniky doporučují nechat zařízení před nabíjením ohřát.

Tabulka: co se v článku děje při jaké teplotě

Hranice jsou orientační a liší se podle chemie a konstrukce článku. Apple například pro iPhone a iPad udává na stránce o provozních teplotách rozsah okolní teploty 0 až 35 °C.

Elektromobil: baterie s vlastním topením

Velká trakční baterie je ze stejných článků, jen jich jsou tisíce a mají vlastní systém řízení teploty. Auto je umí ohřát, nejčastěji topením nebo tepelným čerpadlem. Odtud pochází praktická rada řady výrobců: zadat v navigaci jako cíl rychlonabíječku, aby auto stihlo baterii předehřát. Studený článek by totiž systém kvůli riziku pokovování nabíjel jen malým proudem.

Na dojezd má ale ještě větší vliv vytápění kabiny. Americký autoklub AAA v laboratorním testu z roku 2019 naměřil při −6,7 °C pokles průměrného dojezdu o 12 % s vypnutým topením a o 41 % se zapnutým. Elektromobil nemá odpadní teplo ze spalovacího motoru, a tak musí teplo pro posádku vyrobit z baterie. Předehřátí kabiny, dokud je auto v zásuvce, bere energii ze sítě, ne z článků.

Olověná autobaterie: jiná chemie, podobný problém

Dvanáctivoltová startovací baterie je olověná. Elektrolytem je zředěná kyselina sírová a při vybíjení se kyselina váže do desek jako síran olovnatý. Chlad i tady zpomalí reakce a sníží proud, který baterie dodá, přičemž studený motor s hustým olejem potřebuje ke startu proudu víc. Odtud údaj CCA na štítku, startovací proud za studena.

Olověná baterie má navíc jednu specialitu: může zamrznout. Čím je vybitější, tím méně kyseliny zůstává v elektrolytu a tím víc se blíží obyčejné vodě. Plně nabitá baterie zamrzá podle tabulek výrobců hluboko pod −50 °C, výrazně vybitá už kolem −15 °C. Zamrzlý elektrolyt může baterii mechanicky poškodit, proto se nevyplatí nechávat auto přes zimu stát s vybitou baterií.

Co si z fyziky odnést

• Chlad energii nebere, jen ztěžuje přístup k ní. Po ohřátí se dočasně ztracená kapacita vrací.
• Trvalé poškození hrozí hlavně při nabíjení studeného článku, protože se na grafitu vylučuje kovové lithium.
• Nejlepší ochranou je teplo z okolí: kapsa blízko těla, vytápěná místnost, předehřátá baterie auta.
• Prudký ohřev u topení nepomáhá, horko baterii stárne rychleji než chlad.

Pohyb nabitých částic je přitom jen jedna tvář elektřiny, kterou chlad ovlivňuje. Suchý zimní vzduch dává prostor jiné, statické elektřině, a že se elektrony v pevné látce za určitých podmínek chovají jako proudící kapalina, popisuje článek vědci jsou svědky toho, že se elektřina chová jako voda. O tom, jak pestře se může chovat zmrzlá voda, píše text o novém typu exotického ledu. S mnohem tvrdšími mrazy počítá technika pro Měsíc, kde se dvoutýdenní noc měří v teplotách hluboko pod −100 °C. Jak se na ni chystají baterie, ukazuje článek o lunárním roveru programu Artemis.

Pokud se chystáte na noční pozorování oblohy, nechte telefon i powerbanku ve vnitřní kapse. Co bude k vidění, ukazuje kalendář listopadové oblohy a pro prosinec přehled prosincové oblohy 2026. Jak fyzika omezuje i bezdrátový signál v bytě, vysvětluje článek proč Wi-Fi nedosáhne do vedlejšího pokoje.

Obsah vytvořený s pomocí AI. Tento článek jsme připravili s pomocí umělé inteligence (AI) a před zveřejněním prošel redakční kontrolou. Za obsah odpovídá redakce webu.