तापमान का 48V लिथियम आयन बैटरी के प्रदर्शन पर प्रभाव कैसे पड़ता है

तापमान और लिथियम आयन बैटरी रसायन विज्ञान के पीछे का विज्ञान

तापीय तनाव के तहत इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएं और आयन गतिशीलता

लिथियम-आयन बैटरियों के काम करने का तरीका उनकी आंतरिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर तापमान के प्रभाव पर अत्यधिक निर्भर करता है। जब कमरे के तापमान (लगभग 77°F) से तापमान में केवल 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि होती है, तो बैटरी के अंदर आयन 40 से 50 प्रतिशत तेज़ी से घूमने लगते हैं। इससे बैटरी बेहतर ढंग से बिजली का संचालन करती है, लेकिन समय के साथ इसके घटकों के खराब होने का भी कारण बन सकती है। जब तापमान 70°C (लगभग 158°F) से अधिक हो जाता है, तो स्थिति और भी खराब हो जाती है। इस बिंदु पर, ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस या SEI परत टूटने लगती है। यह सुरक्षात्मक परत इलेक्ट्रोड को सुरक्षित रखने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, इसलिए एक बार जब यह नष्ट हो जाती है, तो बैटरी की क्षमता स्थायी रूप से कम हो जाती है। दूसरी ओर, ठंडे मौसम में भी समस्याएं होती हैं। 5°C (लगभग 41°F) से नीचे, बैटरी के अंदर का तरल काफी गाढ़ा हो जाता है, जिससे आयनों के आगे बढ़ने में कठिनाई होती है। इसका अर्थ है कम उपलब्ध शक्ति, जो बैटरी द्वारा वास्तव में दी जा सकने वाली शक्ति में लगभग 15 से 30 प्रतिशत तक की कमी के बराबर होता है।

ठंडी स्थितियों में वोल्टेज ड्रॉप और आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि

जब तापमान हिमांक से नीचे चला जाता है, तो बैटरियाँ कुछ गंभीर चुनौतियों का सामना करती हैं। लगभग -20 डिग्री सेल्सियस (-4 फ़ारेनहाइट) पर बैटरी के अंदर का इलेक्ट्रोलाइट काफी अधिक गाढ़ा हो जाता है, जिससे इसकी श्यानता में 300 से 500 प्रतिशत तक की वृद्धि हो जाती है। इसी समय, बैटरी की आवेश स्वीकार करने की क्षमता लगभग 60% तक गिर जाती है। इन समस्याओं के कारण सामान्य कमरे के तापमान की तुलना में आंतरिक प्रतिरोध में 200 से 400 प्रतिशत तक की भारी वृद्धि हो जाती है। इसके परिणामस्वरूप, 48 वोल्ट लिथियम आयन प्रणालियों को ठीक से काम करने के लिए अतिरिक्त प्रयास करने पड़ते हैं। आर्कटिक परिस्थितियों में काम कर रही इलेक्ट्रिक कारों के वास्तविक प्रदर्शन के आंकड़ों को देखने से एक काफी चिंताजनक बात भी सामने आती है। इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी द्वारा 2023 में प्रकाशित शोध के अनुसार, ड्राइवरों ने इन सभी समस्याओं के कारण अपनी सामान्य ड्राइविंग रेंज का लगभग एक चौथाई हिस्सा खो दिया है।

उच्च तापमान पर क्षमता में कमी और दक्षता में कमी

जब बैटरियों को लगभग 45 डिग्री सेल्सियस (यह लगभग 113 फ़ारेनहाइट है) के गर्म वातावरण में बहुत लंबे समय तक रखा जाता है, तो वे सामान्य से तेज़ी से खराब होने लगती हैं। आदर्श परिस्थितियों की तुलना में उनके जीवनकाल में लगभग ढाई गुना कमी आ जाती है। 2023 में थर्मल एजिंग पर किए गए हालिया परीक्षणों ने कुछ काफी संकेतक बातें दिखाईं: इस अधिक तापमान पर चल रही बैटरियों ने केवल 150 चार्ज चक्रों के बाद अपनी क्षमता का लगभग 15% खो दिया, जबकि कमरे के तापमान (लगभग 25C) पर रखी गई बैटरियों में केवल लगभग 6% की गिरावट आई। और एक और समस्या सतह के नीचे हो रही है। एक बार जब तापमान 40 डिग्री सेल्सियस से ऊपर चढ़ जाता है, तो इन बैटरियों के अंदर SEI परत सामान्य की तुलना में तीन गुना तेज़ी से बढ़ती है। इसका अर्थ है कि अधिक लिथियम आयन हमेशा के लिए फंस जाते हैं, जिससे समय के साथ बैटरी सेलों के भीतर उपयोग योग्य सामग्री की मात्रा धीरे-धीरे कम होती जाती है।

कम तापमान पर चार्जिंग के दौरान लिथियम प्लेटिंग का जोखिम

जब बैटरियों को हिमांक तापमान से नीचे चार्ज किया जाता है, तो उनके अंदर लिथियम आयनों के व्यवहार में कुछ गड़बड़ हो जाती है। एनोड सामग्री के भीतर उनके उचित स्थानों में जाने के बजाय, वे सतह पर धातु जमाव बनाने लगते हैं। इसके बाद क्या होता है? खैर, ये जमाव समस्याएं पैदा करते हैं। वे वास्तव में लघुपथ (शॉर्ट सर्किट) के खतरे को लगभग 80% तक बढ़ा देते हैं, जो काफी गंभीर है। इसके अलावा, ये बैटरी की समग्र क्षमता को समय के साथ तेजी से कम कर देते हैं। सौभाग्य से, अब ऐसे नैदानिक उपकरण उपलब्ध हैं जो चीजें बिगड़ने से पहले धातु जमाव के इन शुरुआती लक्षणों को पहचान लेते हैं। इस मुद्दे से निपटने वाली कंपनियों को ठंडे मौसम में बैटरियों को चार्ज करने की गति के बारे में बहुत सख्त नियम लागू करने पड़े हैं। अधिकांश कंपनियां तब तक अधिकतम चार्ज दर 0.2C से अधिक नहीं रखती हैं जब तक बाहर का तापमान पांच डिग्री सेल्सियस से नीचे न हो जाए।

48V लिथियम-आयन बैटरी सिस्टम का वास्तविक दुनिया तापीय प्रदर्शन

इलेक्ट्रिक वाहनों और नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में प्रदर्शन

48V लिथियम आयन बैटरियों का तापीय व्यवहार उनके उपयोग के स्थान के आधार पर काफी भिन्न होता है। उदाहरण के लिए इलेक्ट्रिक कारों में, आजकल अधिमानतः अप्रत्यक्ष तरल शीतलन का उपयोग किया जाता है ताकि बैटरी पैक का तापमान राजमार्ग पर ड्राइविंग के दौरान 40 डिग्री सेल्सियस से नीचे बना रहे। इससे 1000 पूर्ण चार्ज चक्रों के बाद भी मूल बैटरी क्षमता का लगभग 98 प्रतिशत तक संरक्षण होता है। हालाँकि, रेगिस्तानी क्षेत्रों में स्थापित नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के मामले में स्थिति जटिल हो जाती है। इन प्रणालियों को 45 डिग्री सेल्सियस से अधिक के परिवेशी तापमान के साथ लंबी अवधि तक सामना करना पड़ता है। परिणाम? ठंडे क्षेत्रों में स्थापित समान इकाइयों की तुलना में बैटरी क्षमता लगभग 12% तेजी से कमजोर हो जाती है। इन समस्याओं से निपटने के लिए, निर्माताओं ने उन्नत बैटरी प्रबंधन प्रणाली, या संक्षेप में BMS विकसित किए हैं। ये स्मार्ट प्रणाली स्वचालित रूप से चार्जिंग गति को समायोजित करती हैं और तब शीतलन तंत्र को सक्रिय करती हैं जब व्यक्तिगत सेलों का तापमान बढ़कर आमतौर पर 35 डिग्री सेल्सियस के आसपास पहुँच जाता है। उद्योग विशेषज्ञ चुनौतीपूर्ण वातावरण में बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए इसे एक महत्वपूर्ण तकनीक मानते हैं।

केस अध्ययन: तापमान की चरम स्थितियों के कारण औद्योगिक 48V बैटरी का क्षरण

2023 के एक भण्डारगृह रोबोट्स पर आधारित अध्ययन के अनुसार, 48 वोल्ट रेटिंग वाली बैटरियाँ जो प्रतिदिन शीतलन से लेकर शुष्क तापमान में परिवर्तन का सामना करती थीं, जो माइनस 10 डिग्री सेल्सियस से लेकर 50 डिग्री सेल्सिय तक था, केवल 18 महीनों के बाद अपनी शक्ति का लगभग 25 प्रतिशत खो देती थीं। यह नियंत्रित जलवायु में रखी गई बैटरियों की तुलना में तीन गुना तेज घटने की दर है। जब शोधकर्ताओं ने इन विफल बैटरियों को निकट से जांच के लिए खोला, तो उन्होंने ठंडी स्थितियों में मशीनों के चालू होने पर लिथियम प्लेटिंग जैसी समस्याएँ पाईं, साथ ही तापमान बहुत अधिक बढ़ने पर सेपरेटर्स के सिकुड़ने की समस्याएँ भी पाईं। दूसरी ओर, थर्मल प्रबंधन प्रणाली के साथ डिज़ाइन की गई औद्योगिक बैटरियों का प्रदर्शन वास्तव में बहुत बेहतर था। इनमें विशेष फेज चेंज सामग्री शामिल थी जिसने 2000 चार्ज चक्रों के दौरान उनके विद्युत प्रतिरोध को लगभग प्लस या माइनस 3 प्रतिशत के आसपास स्थिर रखने में मदद की। यह स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि कठोर पर्यावरणीय परिस्थितियों में काम करने वाली बैटरियों के लिए उचित तापमान नियंत्रण बनाए रखना कितना महत्वपूर्ण है।

उच्च तापमान के जोखिम: दीर्घायु, सुरक्षा और तापीय असंयम

ऊष्मा के कारण चक्र जीवन में कमी और क्षमता ह्रास

40°C से ऊपर संचालन 25°C की तुलना में चक्र जीवन को लगभग 40% तक कम कर देता है (नेचर 2023)। उच्च तापमान SEI परत को अस्थिर कर देता है और तापीय विघटन को बढ़ावा देता है, जिससे अपरिवर्तनीय क्षमता की हानि होती है। 45°C पर, कैथोड के टूटने और इलेक्ट्रोलाइट के ऑक्सीकरण के कारण 300 चक्रों के भीतर बैटरियों की प्रारंभिक क्षमता का 15–20% तक नुकसान हो सकता है।

लिथियम आयन बैटरियों में तापीय विघटन के तंत्र

उच्च तापमान तीन प्राथमिक विफलता मार्गों को आरंभ करता है:

• 80°C से शुरू होने वाली SEI परत का विघटन, जो ज्वलनशील हाइड्रोकार्बन छोड़ती है
• 120°C से ऊपर इलेक्ट्रोलाइट का विघटन, जो गैसीय उप-उत्पाद उत्पन्न करता है
• कैथोड का विलयन, जो ऊर्जा घनत्व को स्थायी रूप से कम कर देता है

ये ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाएँ एक स्व-संचालित श्रृंखला पैदा कर सकती हैं। शोध दिखाता है कि 30°C से ऊपर प्रत्येक 10°C वृद्धि से एनोड पर लिथियम प्लेटिंग की दर दोगुनी हो जाती है—जो थर्मल रनअवे के लिए एक प्रमुख पूर्व स्थिति है।

अत्यधिक गर्म 48V प्रणालियों में थर्मल रनअवे और सुरक्षा खतरे

लिथियम आयन सेल तब गंभीर समस्या में पड़ जाते हैं जब आंतरिक तापमान लगभग 150 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच जाता है। उस बिंदु पर वे थर्मल रनअवे की स्थिति में चले जाते हैं, जो मूल रूप से एक श्रृंखला अभिक्रिया है जहाँ उत्पन्न ऊष्मा इसके बाहर निकलने की गति से तेजी से बढ़ती रहती है। परिणाम क्या होते हैं? उद्योग के विभिन्न अध्ययनों के अनुसार, सेल सेकंडों के भीतर गैस छोड़ सकते हैं, आग पकड़ सकते हैं या फट भी सकते हैं। हालाँकि आधुनिक बैटरी प्रबंधन प्रणालियों ने निश्चित रूप से इस तरह की समस्याओं को कम करने में मदद की है। निर्माताओं के अनुसार, पिछले वर्ष एनर्जी स्टोरेज न्यूज़ के अनुसार, 2018 के बाद से ऐसी घटनाओं में लगभग 97 प्रतिशत की गिरावट आई है। फिर भी, 48 वोल्ट प्रणालियाँ कुछ बहुत ही खतरनाक विफलता परिदृश्यों के लिए विशेष रूप से संवेदनशील हैं, जिनमें शामिल हैं:

उच्च तापमान की स्थिति में आपदामूलक परिणामों को रोकने के लिए सक्रिय शीतलन और निरंतर तापीय निगरानी अत्यंत आवश्यक है।

कम तापमान की चुनौतियाँ और चार्जिंग सीमाएँ

ठंडे वातावरण में कम क्षमता और शक्ति उत्पादन

ठंड में लिथियम आयन बैटरियों को वास्तव में कठिनाई होती है क्योंकि तापमान में गिरावट के साथ उनके भीतर के आयनों को अधिक प्रतिरोध का सामना करना पड़ता है। जब हम लगभग शून्य से 20 डिग्री सेल्सियस (जो कि लगभग शून्य से 4 डिग्री फारेनहाइट के बराबर है) की बात करते हैं, तो बैटरी की क्षमता कम होकर कमरे के तापमान पर उसकी सामान्य क्षमता के लगभग 60% तक रह जाती है। वोल्टेज भी काफी कम हो जाता है, लगभग 30% तक गिर जाता है। यह बात इलेक्ट्रिक कारों या ऑफ-ग्रिड स्थानों पर स्थापित सौर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों जैसी चीजों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। इन उपकरणों को तब भी निरंतर बिजली की आवश्यकता होती है जब प्रकृति उन पर अपना सबसे खराब शीतकालीन मौसम थोपती है, लेकिन ठंड मौसम ऐसा करना बहुत कठिन बना देता है।

हिमांक तापमान से नीचे चार्जिंग की अक्षमता और जोखिम

जब बैटरियों को हिमांक से नीचे (फारेनहाइट का उपयोग करने वालों के लिए 32°F) चार्ज किया जाता है, तो मूल रूप से दो बड़ी समस्याएं होती हैं। सबसे पहले, लिथियम प्लेटिंग नामक कुछ होता है, जहाँ धात्विक लिथियम बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर जमा हो जाता है। यह सिर्फ परेशान करने वाली बात नहीं है – बैटरी यूनिवर्सिटी के अध्ययनों से पता चलता है कि ऐसा होने पर बैटरी अपनी कुल क्षमता का लगभग 15 से 20% हमेशा के लिए खो देती है। फिर हमारे पास इलेक्ट्रोलाइट की समस्या है। ऋणात्मक 30 डिग्री सेल्सियस जितने कम तापमान पर, बैटरी के अंदर का तरल सामान्य की तुलना में लगभग आठ गुना अधिक गाढ़ा हो जाता है। सोचिए कि जहाँ तरल आसानी से बहना चाहिए, वहाँ आप एक स्ट्रॉ के माध्यम से शहद डालने की कोशिश कर रहे हैं। गाढ़े इलेक्ट्रोलाइट के कारण आयनों के ठीक से घूमना वास्तव में मुश्किल हो जाता है, इसलिए बैटरी पूरी तरह चार्ज नहीं हो पाती। अधिकांश औद्योगिक बैटरी सेटअप में इस समस्या को रोकने के लिए अंतर्निर्मित हीटिंग एलिमेंट या अन्य तापमान नियंत्रण होते हैं। लेकिन सामान्य उपभोक्ता चार्जर? उनमें आमतौर पर ऐसे सुरक्षा उपाय नहीं होते, जिसकी वजह से बहुत से लोग अपनी बैटरियों को बिना इसका एहसास किए नुकसान पहुँचा देते हैं।

अत्यधिक ठंड में लिथियम आयन बैटरियों को चार्ज करने के लिए सर्वोत्तम प्रथाएँ

1. बैटरी की पूर्व-स्थिति बाहरी हीटर या इन्सुलेटेड एनक्लोजर का उपयोग करके चार्जिंग से पहले 5–15°C (41–59°F) तक
2. चार्ज दर को सीमित करें शून्य से नीचे के तापमान पर प्लेटिंग के जोखिम को कम करने के लिए 0.2C तक
3. बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) का उपयोग करें तापमान कटऑफ के साथ जो 0°C से नीचे चार्जिंग को रोक देता है
4. असामान्य स्थिरता के लिए वोल्टेज वक्र की निगरानी करें जो प्रारंभिक लिथियम निक्षेपण का संकेत दे सकता है

फील्ड परीक्षणों से पता चलता है कि आर्कटिक ऊर्जा स्थापनाओं में तापमान नियंत्रित एनक्लोजर, अनियंत्रित प्रणालियों की तुलना में चक्र जीवन को 23% तक बढ़ा देते हैं।

इष्टतम संचालन सीमा और उन्नत तापमान प्रबंधन रणनीति

48V लिथियम आयन बैटरी के उच्चतम प्रदर्शन के लिए आदर्श तापमान सीमा

48V लिथियम-आयन बैटरियों के लिए इष्टतम संचालन सीमा 20°C से 30°C (68°F से 86°F) है, जैसा कि विद्युत विमानन में 2025 के उद्योग अध्ययन द्वारा पुष्टि की गई है। 15°C से नीचे, उपयोग योग्य क्षमता 20–30% तक गिर जाती है; 40°C से ऊपर लगातार संचालन करने पर कमरे के तापमान की तुलना में इलेक्ट्रोलाइट के विघटन की दर चार गुना तेज हो जाती है।

वास्तविक समय में तापीय नियमन के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS)

आधुनिक BMS तापीय संतुलन बनाए रखने के लिए वितरित तापमान सेंसर और अनुकूली एल्गोरिदम को एकीकृत करते हैं। 2021 के एक बहु-स्तरीय डिज़ाइन अध्ययन ने दर्शाया कि गतिशील भार वितरण और चार्ज दर मॉड्यूलेशन के माध्यम से उन्नत BMS पैक के भीतर तापीय ढाल में 58% की कमी करते हैं।

आधुनिक बैटरी डिज़ाइन में शीतलन, तापन और इन्सुलेशन समाधान

आधुनिक इंजीनियर चरण परिवर्तन सामग्री का उपयोग कर रहे हैं जो अचानक ऊष्मा वृद्धि के समय प्रति किलोग्राम लगभग 140 से 160 किलोजूल ऊष्मा अवशोषित कर सकती है, जिसमें सिरेमिक इन्सुलेशन परतें भी शामिल हैं जो बिल्कुल भी ऊष्मा का संचालन नहीं करती हैं (केवल 0.03 वाट प्रति मीटर केल्विन)। तरल शीतलन प्लेट्स भी चीजों को ठंडा रखती हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि सतह के तापमान में 2C तीव्र फास्ट चार्जिंग सत्र के दौरान भी 5 डिग्री सेल्सियस से अधिक की वृद्धि न हो, जिसे पिछले वर्ष के थर्मल स्थिरता परीक्षणों में मंजूरी मिली थी। इन सभी विभिन्न घटकों के साथ मिलकर काम करने के कारण बैटरियाँ मौसम या क्षेत्र में संचालन की किसी भी स्थिति के बावजूद लगातार अच्छा प्रदर्शन करती हैं।