چگونه دما بر عملکرد باتری‌های لیتیوم-یون 48 ولت تأثیر می‌گذارد

علم پشت دما و شیمی باتری لیتیوم یونی

واکنش‌های الکتروشیمیایی و تحرک یون‌ها تحت تنش حرارتی

طرز کار باتری‌های لیتیوم-یون به شدت به تأثیر دما بر واکنش‌های شیمیایی داخلی آن‌ها بستگی دارد. هنگامی که دما تنها ۱۰ درجه سانتی‌گراد از دمای محیط (حدود ۷۷°F) بالاتر رود، یون‌های داخلی ۴۰ تا ۵۰ درصد سریع‌تر حرکت می‌کنند. این امر باعث بهبود هدایت الکتریکی باتری می‌شود، اما ممکن است به مرور زمان منجر به تخریب قطعات شود. وقتی دما از ۷۰°C (حدود ۱۵۸°F) بالاتر برود، وضعیت بسیار بدتر می‌شود. در این دما، لایه‌ای به نام فاز میانی الکترولیت جامد یا SEI شروع به تجزیه می‌کند. این پوشش محافظ نقش بسیار مهمی در حفاظت از الکترودها دارد و پس از از بین رفتن آن، باتری برای همیشه ظرفیت خود را از دست می‌دهد. از سوی دیگر، هوای سرد نیز مشکلاتی ایجاد می‌کند. در دمای پایین‌تر از ۵°C (حدود ۴۱°F)، مایع داخل باتری بسیار غلیظ‌تر می‌شود و حرکت یون‌ها را سخت می‌کند. این امر به معنای کاهش توان در دسترس است و حدوداً بین ۱۵ تا ۳۰ درصد از ظرفیت واقعی باتری کاسته می‌شود.

افت ولتاژ و افزایش مقاومت داخلی در شرایط سرد

وقتی دما پایین‌تر از نقطه انجماد می‌رود، باتری‌ها با چالش‌های جدی مواجه می‌شوند. الکترولیت داخلی در حدود ۲۰- درجه سانتی‌گراد (۴- درجه فارنهایت) بسیار غلیظ‌تر می‌شود و ویسکوزیته آن بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ درصد افزایش می‌یابد. در همین حال، توانایی باتری برای پذیرش شارژ تقریباً ۶۰ درصد کاهش می‌یابد. این مشکلات باعث می‌شوند مقاومت داخلی باتری نسبت به شرایط دمای معمولی اتاق، ۲۰۰ تا ۴۰۰ درصد افزایش یابد. در نتیجه، سیستم‌های لیتیومی ۴۸ ولت مجبورند تلاش بیشتری کنند تا به درستی کار کنند. بررسی اعداد واقعی عملکرد خودروهای برقی در شرایط قطبی چیزی نگران‌کننده نیز آشکار می‌کند. رانندگان گزارش داده‌اند که تقریباً یک‌چهارم از برد معمول خود را به دلیل این مسائل ترکیبی از دست می‌دهند، مطابق تحقیقات منتشر شده توسط انجمن الکتروشیمیایی در سال ۲۰۲۳.

کاهش ظرفیت و کارایی کمتر در دماهای بالا

وقتی باتری‌ها برای مدت طولانی در محیط‌های داغ حدود ۴۵ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریباً ۱۱۳ فارنهایت) قرار بگیرند، شروع به تخریب سریع‌تر از حالت عادی می‌کنند. عمر آن‌ها تقریباً دو و نیم برابر کوتاه‌تر می‌شود در مقایسه با شرایط ایده‌آل. آزمایش‌های اخیر در سال ۲۰۲۳ در مورد پیری حرارتی نشان داد که: باتری‌هایی که در این دمای بالا کار می‌کنند، پس از تنها ۱۵۰ چرخه شارژ، حدود ۱۵٪ از ظرفیت خود را از دست داده‌اند، در حالی که باتری‌هایی که در دمای اتاق (حدود ۲۵ درجه سانتی‌گراد) نگهداری شده‌اند، تنها حدود ۶٪ کاهش ظرفیت داشته‌اند. همچنین مشکل دیگری در حال رخ دادن است. هنگامی که دما از ۴۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رود، لایه SEI درون این باتری‌ها سه برابر سریع‌تر از حالت معمول رشد می‌کند. این بدین معناست که یون‌های لیتیوم بیشتری به صورت دائمی گیر می‌افتند و به تدریج مواد قابل استفاده درون سلول‌های باتری را کاهش می‌دهند.

خطرات رسوب لیتیوم در هنگام شارژ در دمای پایین

وقتی باتری‌ها در دمای پایین‌تر از نقطه انجماد شارژ می‌شوند، رفتار یون‌های لیتیوم در داخل آن‌ها دچار مشکل می‌شود. به جای اینکه به درستی وارد نقاط مناسب خود در ماده آند شوند، شروع به تشکیل رسوبات فلزی بر روی سطح می‌کنند. بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟ این رسوبات باعث ایجاد مشکلات می‌شوند. در حقیقت، این موضوع احتمال اتصال کوتاه را تقریباً ۸۰٪ افزایش می‌دهد که امری جدی محسوب می‌شود. علاوه بر این، باعث کاهش سریع‌تر ظرفیت کلی باتری در طول زمان می‌شوند. خوشبختانه اکنون ابزارهای تشخیصی وجود دارند که نشانه‌های اولیه تشکیل رسوب فلزی را قبل از بد شدن وضعیت شناسایی می‌کنند. شرکت‌هایی که با این مسئله دست و پنجه نرم می‌کنند، مجبور شده‌اند قوانین بسیار سخت‌گیرانه‌ای در مورد سرعت شارژ باتری‌ها در دماهای پایین اعمال کنند. اکثر آن‌ها حداکثر نرخ شارژ را هرگاه دمای محیط پایین‌تر از پنج درجه سانتی‌گراد باشد، بیش از 0.2C تنظیم کرده‌اند.

عملکرد حرارتی در دنیای واقعی سیستم‌های باتری لیتیوم-یون 48 ولتی

عملکرد در وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر

رفتار حرارتی باتری های لیتیوم یون 48 ولت بسته به جایی که استفاده می شوند، کمی متفاوت است. برای مثال ماشین های الکتریکی را در نظر بگیرید. امروزه بیشتر مدل ها به خنک کننده مایع غیرمستقیم متکی هستند تا باتری ها را در حین رانندگی در بزرگراه ها زیر 40 درجه سانتیگراد نگه دارند. این به حفظ حدود 98 درصد از ظرفیت اصلی باتری حتی پس از گذراندن 1000 چرخه شارژ کامل کمک می کند. اما وقتی به انستالاسیون های ذخیره سازی انرژی تجدید پذیر در مناطق بیابان نگاه می کنیم، مسائل پیچیده تر می شوند. این سیستم ها با دوره های طولانی با دمای محیط که بیش از 45 درجه سانتیگراد است مواجه هستند. نتیجه اش چه شد؟ ظرفیت باتری در مقایسه با واحدهای مشابه در مناطق سردتر حدود 12 درصد سریعتر تخریب می شود. برای مقابله با این مشکلات، سازندگان سیستم های مدیریت باتری پیشرفته یا BMS را توسعه داده اند. این سیستم های هوشمند سرعت شارژ را به طور خودکار تنظیم می کنند و مکانیسم های خنک کننده را هر زمان که سلول های فردی بیش از حد گرم می شوند، به طور معمول حدود ۳۵ درجه سانتیگراد، فعال می کنند. کارشناسان صنعت این را به عنوان یک تکنولوژی حیاتی برای افزایش عمر باتری در محیط های چالش برانگیز می بینند.

مطالعه موردی: کاهش عملکرد باتری صنعتی 48 ولتی به دلیل دمای شدید

بر اساس یک مطالعه در سال 2023 که به ربات‌های انبارداری پرداخت، باتری‌هایی با ولتاژ نامی 48 ولت که هر روز دمای آن‌ها از منفی 10 درجه سانتی‌گراد تا 50 درجه سانتی‌گراد تغییر می‌کرد، پس از تنها 18 ماه حدود 25 درصد از توان خود را از دست دادند. این نرخ فرسودگی سه برابر سریع‌تر از باتری‌هایی است که در شرایط کنترل‌شده دمایی نگهداری می‌شوند. وقتی محققان این باتری‌های معیوب را برای بررسی دقیق‌تر باز کردند، متوجه مشکلاتی مانند رسوب لیتیوم در هنگام راه‌اندازی دستگاه در شرایط سرد و همچنین جمع‌شدگی جداکننده‌ها در دماهای بسیار بالا شدند. از سوی دیگر، باتری‌های صنعتی که با سیستم‌های مدیریت حرارتی طراحی شده بودند عملکرد بسیار بهتری داشتند. این باتری‌ها از مواد تغییر فاز ویژه‌ای استفاده می‌کردند که مقاومت الکتریکی آن‌ها را در طول 2000 چرخه شارژ در حدود مثبت و منفی 3 درصد ثابت نگه می‌داشت. این موضوع به وضوح نشان‌دهنده اهمیت کنترل مناسب دما برای باتری‌هایی است که در شرایط محیطی سخت کار می‌کنند.

ریسک‌های دمای بالا: طول عمر، ایمنی و واکنش گرمازای شتابان

کاهش عمر چرخه‌ای و تضعیف ظرفیت ناشی از گرما

عملکرد در دمای بالاتر از 40 درجه سانتی‌گراد باعث تسریع فرآیند تخریب می‌شود و عمر چرخه‌ای را تا 40 درصد نسبت به دمای 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد (Nature 2023). دماهای بالا لایه SEI را ناپایدار کرده و تجزیه حرارتی را تقویت می‌کنند که منجر به کاهش غیرقابل بازگشت ظرفیت می‌شود. در دمای 45 درجه سانتی‌گراد، باتری‌ها ممکن است در عرض 300 چرخه، 15 تا 20 درصد از ظرفیت اولیه خود را به دلیل تجزیه کاتد و اکسیداسیون الکترولیت از دست بدهند.

مکانیسم‌های تخریب حرارتی در باتری‌های لیتیوم یونی

دمای بالا سه مسیر اصلی خرابی را آغاز می‌کند:

• تجزیه لایه SEI که از دمای 80 درجه سانتی‌گراد آغاز شده و هیدروکربن‌های قابل اشتعال را آزاد می‌کند
• شکست الکترولیت در دمای بالاتر از 120 درجه سانتی‌گراد که محصولات گازی تولید می‌کند
• حل شدن کاتد، که به طور دائم چگالی انرژی را کاهش می‌دهد

این واکنش‌های گرمازا می‌توانند یک زنجیره خودنگهدار ایجاد کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که هر ۱۰ درجه سانتی‌گراد افزایش دما بالای ۳۰ درجه سانتی‌گراد، سرعت رسوب لیتیوم بر روی آند را دو برابر می‌کند—که یکی از پیش‌سازهای اصلی فرار حرارتی است.

فرار حرارتی و خطرات ایمنی در سیستم‌های 48 ولتی داغ‌شده

سلول‌های لیتیوم یونی زمانی وارد مشکلات جدی می‌شوند که دمای داخلی به حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد. در این نقطه، سلول وارد حالتی می‌شود که به آن «فرار حرارتی» گفته می‌شود؛ در واقع یک واکنش زنجیره‌ای رخ می‌دهد که در آن گرمای تولیدشده سریع‌تر از آنچه می‌تواند دفع شود، افزایش می‌یابد. نتیجه چیست؟ بر اساس مطالعات مختلف صنعتی، سلول‌ها ممکن است در عرض چند ثانیه گاز منتشر کنند، آتش بگیرند یا حتی منفجر شوند. با این حال، سیستم‌های مدیریت باتری مدرن قطعاً به کاهش این نوع مشکلات کمک کرده‌اند. تولیدکنندگان گزارش داده‌اند که از سال ۲۰۱۸ تقریباً ۹۷ درصد کاهش در چنین حوادثی رخ داده است، مطابق گزارش Energy Storage News در سال گذشته. با این وجود، سیستم‌های ۴۸ ولتی به ویژه در معرض سناریوهای خرابی بسیار خطرناکی از جمله موارد زیر هستند:

سرمایش فعال و نظارت مداوم حرارتی برای جلوگیری از پیامدهای فاجعه‌بار در شرایط دمای بالا ضروری است.

چالش‌های دمای پایین و محدودیت‌های شارژ

کاهش ظرفیت و توان خروجی در محیط‌های سرد

باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای پایین با مشکل مواجه می‌شوند، زیرا یون‌های داخل آن در برابر مقاومت بیشتری قرار می‌گیرند. وقتی صحبت از دمایی حدود منفی ۲۰ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریباً منفی ۴ درجه فارنهایت) می‌شود، ظرفیت باتری به حدود ۶۰٪ ظرفیت عادی خود در دمای اتاق کاهش می‌یابد. ولتاژ نیز حدود ۳۰٪ کاهش می‌یابد. این موضوع برای وسایلی مانند خودروهای برقی یا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی که در خارج از شبکه قرار دارند بسیار مهم است. این دستگاه‌ها به برق پایداری نیاز دارند حتی زمانی که بدترین شرایط آب‌وهوایی زمستانی را تجربه می‌کنند، اما هوای سرد دستیابی به این امر را بسیار دشوارتر می‌کند.

ناکارآمدی‌ها و خطرات شارژ در دماهای زیر نقطه انجماد

وقتی باتری‌ها در دمای پایین‌تر از نقطه انجماد شارژ می‌شوند (که برای کسانی که هنوز از فارنهایت استفاده می‌کنند معادل ۳۲ درجه فارنهایت است)، دو مشکل بزرگ رخ می‌دهد. اول از همه، پدیده‌ای به نام رسوب لیتیوم رخ می‌دهد که در آن لیتیوم فلزی روی الکترود منفی باتری تجمع می‌یابد. این اتفاق فقط آزاردهنده نیست – مطالعات انجام‌شده توسط دانشگاه باتری نشان می‌دهد که هر بار که این اتفاق می‌افتد، باتری به‌طور دائم حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از ظرفیت کل خود را از دست می‌دهد. سپس مشکل الکترولیت وجود دارد. در دماهایی پایین‌تر از ۳۰- درجه سانتی‌گراد، مایع داخل باتری حدود هشت برابر ضخیم‌تر از حالت عادی می‌شود. تصور کنید که می‌خواهید عسل را از یک نی‌نوشابه عبور دهید در حالی که باید آزادانه جریان داشته باشد. ضخیم‌شدن الکترولیت باعث می‌شود یون‌ها به سختی بتوانند به درستی حرکت کنند، بنابراین باتری به‌طور کامل شارژ نمی‌شود. بیشتر سیستم‌های صنعتی باتری دارای المنت‌های گرمایشی داخلی یا سایر کنترل‌کننده‌های دما هستند تا از این وضعیت جلوگیری کنند. اما شارژرهای معمولی مصرف‌کننده؟ معمولاً چنین اقدامات ایمنی را ندارند، که همین موضوع توضیح می‌دهد چرا بسیاری از مردم بدون اینکه متوجه شوند، به باتری‌های خود آسیب می‌زنند.

بهترین روش‌ها برای شارژ باتری‌های لیتیوم یونی در دمای بسیار پایین

1. پیش‌ conditioning باتری‌ها به دمای 5 تا 15 درجه سانتی‌گراد (41 تا 59 درجه فارنهایت) قبل از شارژ با استفاده از هیترهای خارجی یا محفظه‌های عایق‌بندی‌شده
2. محدود کردن نرخ شارژ به 0.2C در شرایط زیر صفر برای کاهش خطر رسوب‌گذاری
3. استفاده از سیستم مدیریت باتری (BMS) با قطع دمایی که شارژ را در دمای پایین‌تر از 0 درجه سانتی‌گراد متوقف می‌کند
4. نظارت بر منحنی ولتاژ برای تشخیص سطوح غیرعادی که ممکن است نشانه‌ای از رسوب زودهنگام لیتیوم باشد

آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که محفظه‌های تنظیم‌شده از نظر حرارتی در نصب‌های انرژی منطقه قطبی عمر سیکلی را به میزان 23 درصد نسبت به سیستم‌های بدون مدیریت افزایش می‌دهند.

محدوده عملکرد بهینه و استراتژی‌های پیشرفته مدیریت دما

محدوده دمای ایده‌آل برای عملکرد بیشینه باتری لیتیوم-یون 48 ولتی

پنجره عملکرد بهینه برای باتری‌های لیتیوم-یون 48 ولتی بین 20 تا 30 درجه سانتی‌گراد (68 تا 86 درجه فارنهایت) است، همان‌طور که توسط مطالعات صنعتی سال 2025 در حوزه هوانوردی الکتریکی تأیید شده است. زیر 15 درجه سانتی‌گراد، ظرفیت قابل استفاده 20 تا 30 درصد کاهش می‌یابد؛ کارکرد مداوم بالاتر از 40 درجه سانتی‌گراد تجزیه الکترولیت را نسبت به دمای اتاق چهار برابر تسریع می‌کند.

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) برای تنظیم حرارتی در زمان واقعی

سیستم‌های BMS مدرن، حسگرهای دمای توزیع‌شده و الگوریتم‌های تطبیقی را ادغام می‌کنند تا تعادل حرارتی را حفظ کنند. یک مطالعه چندلایه در سال 2021 نشان داد که سیستم‌های پیشرفته BMS با توزیع پویای بار و تنظیم نرخ شارژ، اختلاف دمای داخل بسته باتری را 58 درصد کاهش می‌دهند.

راه‌حل‌های خنک‌کنندگی، گرمایش و عایق‌بندی در طراحی مدرن باتری

مهندسان مدرن از مواد تغییر فاز استفاده می‌کنند که می‌توانند در صورت افزایش ناگهانی دما، حدود ۱۴۰ تا ۱۶۰ کیلوژول بر کیلوگرم گرما جذب کنند، همراه با لایه‌های عایق سرامیکی که تقریباً هیچ گرما را هدایت نمی‌کنند (تنها ۰٫۰۳ وات بر متر کلوین). صفحات خنک‌کننده مایع نیز به حفظ دمای پایین کمک می‌کنند و اطمینان حاصل می‌شود که دمای سطحی بیش از ۵ درجه سانتی‌گراد افزایش نیابد، حتی در طی شارژ سریع ۲C که در آزمون‌های پایداری حرارتی سال گذشته موفقیت‌آمیز بود. تمام این اجزای مختلف به گونه‌ای با هم کار می‌کنند که عملکرد باتری‌ها در هر شرایط آب‌وهوایی یا کاربردی که در عمل با آن مواجه می‌شوند، همواره پایدار و قابل اعتماد باشد.