Chicago is in de winter een onvergeeflijke stad. Wilt u zich door de stad verplaatsen? Heeft u geen auto? Bereid u dan voor om 10 minuten op een verhoogd treinperron te staan en probeer zo min mogelijk van uw huid bloot te stellen aan de rauwe, striemende wind. Is de temperatuur weer onder nul? Hier is een zwakke buiten warmtelamp op het perron; wees er dankbaar voor.
Ik bevond me op een van die perrons, bibberend onder een van die lampen, afgelopen zaterdag (30 dec.) toen de temperatuur daalde tot 3 graden Fahrenheit (min 16 graden Celsius). Ik kwam net van de lunch, waarbij ik een van de stopcontacten van het restaurant had gekaapt om mijn telefoon op te laden tot 100 procent van zijn batterijcapaciteit; mijn volgende bestemming was in het centrum, in een gebied dat ik niet kende, en ik zorgde ervoor dat ik mijn GPS bij de hand had voor begeleiding. En toch, toen ik op dat perron mijn toestel uit mijn zak haalde om mijn route te controleren, was de lading al gezakt: De uitlezing in de rechterbovenhoek van mijn scherm knipperde rood, “1% …1% …1%.” Even later was het apparaat dood.
Waarom?
Het korte antwoord is dat batterijen afhankelijk zijn van chemische reacties om te werken, en vriestemperaturen vertragen of stoppen die reacties.
Lithium-ion batterijen, de alledaagse oplaadbare batterijen die een groot deel van ons moderne leven van energie voorzien en in bijna elke mobiele telefoon zitten, ontladen elektrische stroom als individuele lithium-ionen zich door een oplossing verplaatsen van het ene uiteinde van de batterij (de anode) naar het andere uiteinde (de kathode). Wanneer de batterij leeg is, zijn al die ionen ingebed in poreus grafiet in de kathode. Wanneer de batterij volledig is opgeladen, zijn ze allemaal ingebed in de anode, volgens Ann Marie Sastry, mede-oprichter en CEO van Sakti3, een in Michigan gevestigde startup op het gebied van batterijtechnologie, die met Live Science sprak voor een eerder artikel.
Chemici hebben geen goed idee van hoe kou precies de reacties vertraagt die plaatsvinden in lithium-ionbatterijen. “De exacte mechanismen die leiden tot slechte prestaties van lithium-ionbatterijen bij koude temperaturen zijn nog steeds niet goed begrepen,” schreef een team van batterij-ingenieurs in 2011 in een artikel in het Journal of The Electrochemical Society.
Maar het is in grote lijnen waar dat extreme kou de reacties in batterijen van alle typen tot een kruip vertraagt.
Toen de oplaadmeter van mijn telefoon op dat platform “1%” aangaf, waren niet alle ionen plotseling naar de kathode gesprongen. In feite, koude temperaturen voorkomen het soort langzame ontlading batterij ionen doen onder kamertemperatuur, zoals de engineering website Lithiumpros.com uitlegt. Maar omdat de bittere kou de reactie in de batterij had vertraagd of gestopt, ontlaadde de batterij minder stroom dan de telefoon nodig had om te blijven werken, schreef chemicus Anne Marie Helmenstine, die een Ph.D. in biomedische wetenschappen heeft en scheikunde op verschillende academische niveaus heeft gedoceerd, in 2017 op thoughtco.com. De telefoon interpreteerde die zwakke ontlading als een teken dat de batterij bijna leeg was, en schakelde zichzelf kort daarna uit.
Gelukkig heb ik niet geprobeerd om mijn batterij op te laden terwijl de telefoon nog bevroren was. Onder zeer koude temperaturen, zoals Lawrence Berkeley National Laboratory scheikundige Stephen J. Harris op zijn website schreef, kan het lithium-ion oplaadproces vreselijk falen. Onder normale omstandigheden worden ionen door elektrische stroom op de batterij te zetten teruggevoerd naar de poriën in het grafiet van de anode. Maar als de batterij bevroren is, gaan de ionen niet in het grafiet. In plaats daarvan verlaten ze de oplossing en zetten zich af op het oppervlak van het grafiet als vast lithium. Dat proces kan de prestaties en de levensduur van een batterij tenietdoen.
Toen mijn telefoon weer warm werd, bleek dat hij toch niet hoefde te worden opgeladen; hij moest alleen warm genoeg zijn om de reactie mogelijk te maken. Toen ik op de aan/uit-knop van het pas opgewarmde apparaat drukte, ging het aan en de batterijmeter gaf “94%” aan.”
De ionen waren nergens heen gegaan. Ze konden alleen niet goed bewegen in de kou.
Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.
Recent news