EN
روابط سريعة
تعتمد طريقة عمل بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير على تأثير درجة الحرارة في التفاعلات الكيميائية الداخلية لها. عندما ترتفع درجات الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية فقط فوق درجة حرارة الغرفة (وهي حوالي 77° فهرنهايت)، تتحرك الأيونات داخل البطارية بسرعة أكبر بنسبة تتراوح بين 40 و50 بالمئة. وهذا يجعل البطارية توصل الكهرباء بشكل أفضل، لكنه قد يؤدي أيضًا إلى تلف المكونات مع مرور الوقت. تصبح الأمور أسوأ عند ارتفاع الحرارة فوق 70°م (حوالي 158°ف). عند هذه النقطة، يبدأ ما يُعرف بطبقة التفاعل الإلكتروليتي الصلبة أو طبقة SEI بالتفكك. إن هذا الطلاء الواقي مهم جدًا لحماية الأقطاب الكهربائية، وبالتالي بمجرد تلفه، تفقد البطارية سعتها بشكل دائم. من ناحية أخرى، فإن الطقس البارد يتسبب أيضًا في مشاكل. فتحت درجة 5°م (حوالي 41°ف)، يصبح السائل الموجود داخل البطارية أكثر كثافة بكثير، مما يجعل من الصعب على الأيونات التحرك خلاله. وهذا يعني انخفاضًا في القدرة المتاحة، حيث تنخفض الطاقة الفعلية التي يمكن للبطارية توفيرها بنسبة تتراوح بين 15 و30 بالمئة.
عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد، تواجه البطاريات بعض التحديات الجادة. يصبح الإلكتروليت الموجود داخل البطارية أكثر كثافة بشكل كبير عند حوالي -20 درجة مئوية (-4 فهرنهايت)، مما يزيد من لزوجته بنسبة تتراوح بين 300 إلى 500 بالمئة. وفي الوقت نفسه، تنخفض قدرة البطارية على استقبال الشحنات بنسبة تقارب 60%. وتؤدي هذه المشكلات معًا إلى ارتفاع المقاومة الداخلية بنسبة 200 إلى 400 بالمئة مقارنة بما يحدث في درجات حرارة الغرفة العادية. ونتيجة لذلك، يجب على أنظمة الليثيوم أيون ذات 48 فولت بذل جهد إضافي فقط للعمل بشكل صحيح. وعند النظر إلى الأرقام الفعلية للأداء المستمدة من السيارات الكهربائية التي تعمل في الظروف القطبية، يتضح أمر مقلق إلى حد ما. إذ يبلغ السائقون عن فقدان ما يقرب من ربع مدى القيادة المعتاد لديهم بسبب كل هذه المشكلات مجتمعة، وفقًا للبحث الذي نشرته الجمعية الكهروكيميائية عام 2023.
عندما تظل البطاريات لفترة طويلة في بيئات حارة حول 45 درجة مئوية (ما يعادل حوالي 113 فهرنهايت)، فإنها تبدأ في التدهور بشكل أسرع من المعتاد. ويقل عمرها الافتراضي بنحو مرتين ونصف مقارنةً بالظروف المثالية. أظهرت اختبارات حديثة من عام 2023 حول الشيخوخة الحرارية نتيجة مهمة: فقدت البطاريات العاملة عند هذه الحرارة العالية حوالي 15% من سعتها بعد 150 دورة شحن فقط، في حين انخفضت سعة تلك التي تم الحفاظ عليها في درجة حرارة الغرفة (حوالي 25م) بنسبة 6% فقط. وهناك مشكلة أخرى تحدث دون السطح. بمجرد تجاوز درجات الحرارة 40 درجة مئوية، فإن طبقة SEI داخل هذه البطاريات تنمو بسرعة تصل إلى ثلاث مرات أكثر من المعتاد. وهذا يعني أن المزيد من أيونات الليثيوم تُحبس بشكل دائم، مما يقلل تدريجيًا كمية المادة القابلة للاستخدام داخل خلايا البطارية مع مرور الوقت.
عند شحن البطاريات عند درجات حرارة تحت نقطة التجمد، تحدث مشكلة في سلوك أيونات الليثيوم داخلها. بدلاً من الانتقال إلى مواضعها الصحيحة ضمن مادة الأنود، تبدأ هذه الأيونات في تكوين رواسب معدنية على السطح. وماذا يحدث بعد ذلك؟ حسنًا، تؤدي هذه الرواسب إلى مشاكل عديدة. فهي في الواقع تزيد من احتمالية حدوث دوائر قصيرة بنسبة تصل إلى حوالي 80%، وهي نسبة مرتفعة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، تتسبب في انخفاض سعة البطارية الكلية بشكل أسرع مع مرور الوقت. لحسن الحظ، أصبحت هناك الآن أدوات تشخيصية قادرة على اكتشاف هذه العلامات المبكرة لتراكم المعادن قبل أن تتفاقم الأمور. وقد اضطرت الشركات التي تتعامل مع هذه المشكلة إلى وضع قواعد صارمة جدًا بشأن مدى السرعة المسموح بها لشحن البطاريات عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية. وغالبًا ما تحدد معظم الشركات الحد الأقصى لمعدل الشحن بألا يتجاوز 0.2C كلما انخفضت درجات الحرارة المحيطة عن خمس درجات مئوية.
يختلف السلوك الحراري لبطاريات الليثيوم أيون ذات الجهد 48 فولت بشكل كبير حسب مكان استخدامها. على سبيل المثال، تعتمد معظم طرازات السيارات الكهربائية اليوم على تبريد سائل غير مباشر للحفاظ على درجة حرارة حزم البطاريات أقل من 40 درجة مئوية أثناء القيادة على الطرق السريعة. ويساعد ذلك في الحفاظ على حوالي 98 بالمئة من سعة البطارية الأصلية، حتى بعد إتمام 1000 دورة شحن كاملة. ومع ذلك، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا عند النظر إلى أنظمة تخزين الطاقة المتجددة الموجودة في المناطق الصحراوية. حيث تتعرض هذه الأنظمة لفترات طويلة من درجات الحرارة المحيطة التي تتجاوز 45 درجة مئوية. والنتيجة؟ تميل سعة البطارية إلى التدهور بسرعة أكبر بنسبة 12% مقارنةً بوحدات مماثلة موضوعة في مناطق أكثر برودة. لمكافحة هذه المشكلات، طوّر المصنعون أنظمة متقدمة لإدارة البطاريات، أو ما يُعرف باختصار BMS. تقوم هذه الأنظمة الذكية بتعديل سرعات الشحن تلقائيًا، وتفعيل آليات التبريد كلما بدأت الخلايا الفردية تسخن أكثر من اللازم، وعادةً عند علامة 35 درجة مئوية. ويرى الخبراء في القطاع أن هذه التقنية تمثل عنصرًا حيويًا لتمديد عمر البطارية في البيئات الصعبة.
وفقًا لدراسة أجريت في عام 2023 حول روبوتات المستودعات، فإن البطاريات التي تبلغ قدرتها 48 فولتًا والتي تتعرض لتغيرات في درجات الحرارة يوميًا من سالب 10 درجات مئوية حتى 50 درجة مئوية كانت قد فقدت حوالي 25 بالمئة من طاقتها بعد 18 شهرًا فقط. وهذا يمثل تدهورًا أسرع بثلاث مرات مقارنة بالبطاريات المحفوظة في بيئات ذات مناخ خاضع للتحكم. وعندما قام الباحثون بتفكيك هذه البطاريات التالفة لفحصها عن كثب، اكتشفوا مشكلات مثل ترسب الليثيوم عند بدء تشغيل الآلات في الظروف الباردة، بالإضافة إلى مشكلات تقلص الفواصل عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير جدًا. ومن ناحية أخرى، أظهرت البطاريات الصناعية المصممة بنظم إدارة حرارية أداءً أفضل بكثير. فقد دُمجت في هذه البطاريات مواد خاصة قابلة للتغير الطوري ساعدت في الحفاظ على مقاومتها الكهربائية مستقرة نسبيًا ضمن هامش ±3 بالمئة طوال 2000 دورة شحن. ويُظهر هذا بوضوح مدى أهمية الحفاظ على التحكم السليم بدرجة الحرارة للبطاريات العاملة في ظروف بيئية قاسية.
العمل عند درجات حرارة تزيد عن 40°م يسرع من التدهور، ويقلل عمر الدورة بنسبة تصل إلى 40% مقارنة بـ 25°م (Nature 2023). تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى عدم استقرار طبقة SEI وتشجع على التحلل الحراري، مما يؤدي إلى فقدان السعة بشكل لا رجعة فيه. عند 45°م، قد تفقد البطاريات 15–20% من سعتها الأولية خلال 300 دورة بسبب تحلل القطب الموجب وأكسدة الإلكتروليت.
تُحفز درجات الحرارة العالية ثلاث طرق رئيسية للفشل:
يمكن أن تؤدي هذه التفاعلات الطاردة للحرارة إلى حدوث سلسلة متتابعة ذاتية الاستدامة. تُظهر الأبحاث أن كل زيادة بمقدار 10°م فوق 30°م تضاعف معدل ترسب الليثيوم على المصعد—وهو عامل رئيسي ممهّد لانطلاق حراري.
تبدأ خلايا الليثيوم أيون بالدخول في مشاكل جسيمة عندما تصل درجات الحرارة الداخلية إلى حوالي 150 درجة مئوية. عند هذه النقطة، تدخل فيما يُعرف بالانطلاق الحراري، وهو عبارة عن تفاعل متسلسل حيث تتزايد الحرارة الناتجة بشكل أسرع من قدرتها على التبدد. ما النتائج؟ قد تطلق الخلايا غازات، أو تشتعل فيها النيران، أو حتى تنفجر خلال ثوانٍ وفقًا لدراسات صناعية مختلفة. ومع ذلك، فقد ساعدت أنظمة إدارة البطارية الحديثة بالتأكيد في الحد من هذا النوع من المشاكل. وتشير تقارير الشركات المصنعة إلى انخفاض بلغ نحو 97 بالمئة في مثل هذه الحوادث منذ عام 2018 وفقًا لتقرير Energy Storage News العام الماضي. لا تزال أنظمة الـ 48 فولت عرضة لسيناريوهات فشل خطيرة للغاية تشمل:
| عامل خطر | عتبة التأثير | النتيجة |
|---|---|---|
| انصهار الفاصل | 130°م | دائرة قصيرة داخلية |
| اشتعال الإلكتروليت | 200 درجة مئوية | انتشار اللهب |
| تحلل الكاثود | 250°C | إطلاق غازات سامة |
تُعد التبريد النشط والرصد الحراري المستمر ضروريين لمنع النتائج الكارثية في السيناريوهات ذات الحرارة العالية.
تعاني بطاريات الليثيوم أيون حقًا عندما تنخفض درجات الحرارة، لأن الأيونات الموجودة داخليًا تواجه مقاومة أكبر مع انخفاض الحرارة. وعند الحديث عن درجات حرارة مثل ناقص 20 مئوية (أي حوالي ناقص 4 فهرنهايت)، فإن سعة البطارية تنخفض بشكل حاد لتصل إلى نحو 60٪ من سعتها الطبيعية عند درجة حرارة الغرفة. كما تنخفض الجهدية أيضًا بنحو 30٪. وهذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة لأجهزة مثل السيارات الكهربائية أو أنظمة تخزين الطاقة الشمسية التي تقع بعيدًا عن الشبكة الكهربائية. فهذه الأجهزة تحتاج إلى طاقة مستمرة حتى عندما تسوء أحوال الطقس الشتوي، لكن الطقس البارد يجعل تحقيق ذلك أكثر صعوبة بكثير.
عند شحن البطاريات عند درجات حرارة تحت نقطة التجمد (وهي 32° فهرنهايت للأشخاص الذين ما زالوا يستخدمون وحدة الفهرنهايت)، تحدث مشكلتان كبيرتان في الأساس. أولاً، يحدث ما يُعرف بتَرسيب الليثيوم، حيث يتراكم الليثيوم المعدني على القطب السالب للبطارية. وهذا ليس مجرد أمر مزعج فحسب، بل تُظهر دراسات من جامعة البطارية أنه في كل مرة يحدث فيها ذلك، تفقد البطارية حوالي 15 إلى 20% من سعتها الكلية بشكل دائم. ثم لدينا مشكلة الإلكتروليت. عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى ناقص 30 درجة مئوية، يصبح السائل الموجود داخل البطارية أثخن بثمانية أضعاف مقارنة بحالته الطبيعية. تخيل محاولة صب العسل عبر قشة بينما ينبغي أن يتدفق بحرية. يؤدي هذا التكاثف في الإلكتروليت إلى جعل حركة الأيونات صعبة جداً، وبالتالي لا تُشحن البطارية بالكامل. تأتي معظم أنظمة البطاريات الصناعية مزودة بعناصر تسخين مدمجة أو وسائل تحكم في درجة الحرارة لمنع هذه المشكلة. أما الشواحن الاستهلاكية العادية؟ فإنها عادة لا تحتوي على أي إجراءات وقائية كهذه، مما يفسر سبب تلف العديد من الأشخاص لبطارياتهم دون أن يدركوا ذلك.
تُظهر الاختبارات الميدانية أن الأغلفة المنظمة حراريًا في محطات الطاقة في القطب الشمالي تمدد عمر الدورة بنسبة 23% مقارنةً بالأنظمة غير المُدارة.
يبلغ النطاق المثالي للتشغيل لبطاريات الليثيوم أيون 48 فولت من 20°م إلى 30°م (68°ف إلى 86°ف)، وفقًا لدراسات صناعية نُشرت في 2025 في مجال الطيران الكهربائي. وعندما تنخفض درجة الحرارة عن 15°م، تنخفض السعة القابلة للاستخدام بنسبة 20–30٪؛ كما أن التشغيل المستمر فوق 40°م يسرّع تحلل الإلكتروليت أربع مرات مقارنةً بدرجة حرارة الغرفة.
تدمج أنظمة إدارة البطارية الحديثة مستشعرات حرارية موزعة وخوارزميات تكيفية للحفاظ على التوازن الحراري. وقد أظهرت دراسة عام 2021 حول تصميم متعدد الطبقات أن الأنظمة المتقدمة لإدارة البطارية تقلل من التغيرات الحرارية داخل الحزمة بنسبة 58٪ من خلال توزيع الحمل الديناميكي وتعديل معدل الشحن.
يُستخدم المهندسون المعاصرون مواد تغيير الطور التي يمكنها امتصاص ما يقارب من 140 إلى 160 كيلوجول لكل كيلوغرام عند حدوث زيادة مفاجئة في الحرارة، إلى جانب طبقات عازلة من السيراميك لا توصل الحرارة تقريبًا (حوالي 0.03 واط لكل متر كلفن). كما تساهم ألواح التبريد السائلة في الحفاظ على برودة النظام، بحيث لا تزيد درجات الحرارة السطحية عن 5 درجات مئوية حتى أثناء جلسات الشحن السريع 2C الشديدة، والتي نجحت في اختبارات الثبات الحراري للعام الماضي. يعني عمل كل هذه المكونات المختلفة معًا أن البطاريات تؤدي بأداء ثابت وجيد بغض النظر عن نوع الظروف الجوية أو التشغيلية التي تواجهها في الميدان.