EN
קישורים מהירים
אופן הפעולה של סוללות ליתיום-יון תלוי בצורה חזקה בהשפעת הטמפרטורה על התגובות הכימיות הפנימיות שלהן. כאשר הטמפרטורה עולה ב-10 מעלות צלזיוס מעל טמפרטורת החדר (בערך 77°F), יונים בתוך הסוללה נעים במהירות של 40 עד 50 אחוז יותר. זה גורם לסוללה להוליך חשמל טוב יותר, אך עלול גם לגרום לפירוק החלקים עם הזמן. המצב נהיה ממש גרוע כששוכנת מעל 70°C (בערך 158°F). בשלב זה, שכבה שנקראת אינטר페이ס אלקטרוליט מוצק או שכבת SEI מתחילה להתפרק. זהו כיסוי מגן חשוב מאוד לשמירה על האלקטרודות, ולכן לאחר שהיא נפגמת, הסוללה מאבדת קיבולת לצמיתות. מצד שני, גם תנאי קור יוצרים בעיות. מתחת ל-5°C (בערך 41°F), הנוזל בתוך הסוללה נעשה עבה בהרבה, מה שגורם ליונים לקשה במעבר דרכו. משמעות הדבר היא פחות הספק זמין, והפחתה של בין 15 ל-30 אחוז בכמות החשמל שהסוללה יכולה לספק בפועל.
כאשר הטמפרטורות יורדות מתחת לנקודת הקיפאון, סוללות נתקלות בקשיים חמורים. האלקטרוליט שבתוך הסוללה נעשה דחוס בהרבה סביב מינוס 20 מעלות צלזיוס (4- פרנהייט), מה שמעלה את צמיגותו ב-300 עד 500 אחוז. באותו זמן, היכולת של הסוללה להיטען יורדת ב unos 60%. בעיות אלו יחד גורמות להתנגדות הפנימית לעלות ב-200 עד 400 אחוז בהשוואה למה שקורה בטמפרטורת החדר הרגילה. כתוצאה מכך, מערכות הליתיום-יון של 48 וולט חייבות להשקיע מאמץ נוסף כדי לתפקד כראוי. בחינה של נתוני ביצועים אמיתיים מרכבים חשמליים הפועלים בתנאי קוטב חושפת גם משהו די מדאיג. נהגים מדווחים על איבוד כמעט רבע מהטווח הרגיל שלהם בשל כל הבעיות המ 결ות, לפי מחקר שפורסם ע"י החברה האלקטרוכימית בשנת 2023.
כאשר סוללות עומדות זמן רב בסביבות חמות סביב 45 מעלות צלזיוס (שזה בערך 113 פרנהייט), הן מתחילות להשתנות מהר יותר מהרגיל. אורך החיים מתקצר בפקטור של כ-2.5 בהשוואה לאחסון בתנאים אידיאליים. מבחנים אחרונים מ-2023 על זקנה תרמית הראו משהו די דוקאי: סוללות שפעלו בטמפרטורה גבוהה זו איבדו כ-15% מכושרתן לאחר 150 מחזורי טעינה בלבד, בעוד שבסוללות שנשמרו בטמפרטורת החדר (בערך 25 מעלות צלזיוס) ירידה בכושרה הייתה רק כ-6%. וקיים עוד נושא שמתרחש מתחת לפני השטח. כאשר הטמפרטורות עולות מעל 40 מעלות צלזיוס, שכבת ה-SEI בתוך הסוללות גדלה פי שלושה ממה שמקובלת. כלומר, עוד יוני ליתיום נקלטים לצמיתות, ובכך מופחת בהדרגה הכמות של החומר הפעיל בתוך תאי הסוללה עם הזמן.
כאשר סוללות נטענות בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון, מתרחש תקלה בתנהגות יוני הליתיום בתוך הסוללה. במקום לחדור למקומם המתאים בחומר האנודה, הם מתחילים ליצור שיקועי מתכת על פני השטח. מה קורה לאחר מכן? ובכן, שיקועים אלו יוצרים בעיות. הם למעשה מגדילים את הסיכון לקצר חשמלי בכ-80%, מה שמסוכן למדי. בנוסף, הם גורמים לירידת הקיבולת הכוללת של הסוללה בקצב מהיר יותר עם הזמן. למרבה המזל, קיימים כיום כלים דיאגנוסטיים שזוהים סימנים מוקדמים של הצטברות מתכת לפני שהמצב הופך לחמור. חברות העוסקות בבעיה זו נאלצו ליישם כללי אכיפה מחמירים מאוד בנוגע למהירות בה ניתן לטעון סוללות בסביבות קרות. מרביתן מוגבלות מקסימום של 0.2C בכל פעם שטמפרטורת הסביבה יורדת מתחת לחמש מעלות צלזיוס.
התנהגות התרמית של סוללות ליתיום-יון של 48V משתנה במידה רבה בהתאם למקום בו הן משמשות. קחו למשל רכבים חשמליים, שמרבית המודלים בהם משתמשים היום בתקרור נוזלי עקיף כדי לשמור על מארז הסוללות מתחת ל-40 מעלות צלזיוס בזמן נהיגה בכביש המהיר. זה עוזר לשמר כ-98 אחוז מהקיבולת המקורית של הסוללה גם לאחר שעברו 1000 מחזורי טעינה מלאים. עם זאת, המצב נעשה מורכב יותר כשנוגע להתקנות איחסון אנרגיה מתחדשת הנמצאות באזורים מדבריים. מערכות אלו מתמודדות עם תקופות ארוכות שבהן הטמפרטורה בסביבה עולה על 45 מעלות צלזיוס. התוצאה? קיבולת הסוללה נוטה לקטון בקצב מהיר יותר בכ-12% בהשוואה ליחידות דומות הנמצאות באזורים קרים יותר. לשם התמודדות עם בעיות אלו, פיתחו יצרנים מערכות מתקדמות לניהול סוללות, או בקיצור BMS. מערכות חכמות אלו מכווננות באופן אוטומטי את מהירות הטעינה ומעילות מנגנוני קירור בכל פעם שתאים מסוימים מתחילים להתחמם מדי, בדרך כלל סביב סימן ה-35 מעלות צלזיוס. מומחים בתחום רואים בטכנולוגיה זו פתרון קריטי להארכת חיי הסוללה בסביבות מאתגרות.
לפי מחקר משנת 2023 שנערך על רובוטי מחסן, סוללות שנצברו ב-48 וולט ושפעלו בתנאי טמפרטורה משתנים מדי יום, בין מינוס 10 מעלות צלזיוס עד 50 מעלות צלזיוס, איבדו כ-25 אחוז מהכוח שלהן לאחר 18 חודשים בלבד. זהו קצב דעיכה מהיר פי שלושה בהשוואה לסוללות שנשמרו בתנאים מבוקרים. כאשר החוקרים פירקו את הסוללות הלא מתפקדות לבדיקה קרוב יותר, הם גילו בעיות כמו ציפוי ליתיום המתרחש בעת הפעלת המכונות בתנאים קרים, וכן בעיות בכיווצים של המפרידים כאשר הטמפרטורות עלו לרמות גבוהות מדי. מצד שני, סוללות תעשייתיות שעוצבו עם מערכות ניהול תרמי הציגו ביצועים טובים בהרבה. סוללות אלו כללו חומרים מיוחדים בעלי יכולת שינוי פאזה, אשר סייעו לשמור על התנגדות חשמלית יציבה יחסית, בתוך טווח של פלוס/מינוס 3 אחוזים, לאורך 2,000 מחזורי טעינה. עובדה זו מדגימה בבירור עד כמה חשוב לשמור על בקרה נכונה של הטמפרטורה בסוללות הפועלות בתנאים סביבתיים קיצוניים.
פעולה מעל 40°C מאיצה את ההידרדרות, ומקטינה את מחזור החיים עד 40% בהשוואה ל-25°C (Nature 2023). טמפרטורות גבוהות מערערות את שכבת ה-SEI ומעודדות פירוק תרמי, מה שמוביל להפסד קיבולת בלתי הפיך. ב-45°C, סוללות עלולות לאבד 15–20% מקיבולתן הראשונית תוך 300 מחזורי טעינה, בעקבות התפרקות הקטודה ואקסידציה של החומר الإلكטרוליטי
טמפרטורות גבוהות מפעילות שלושה מסלולי כשל עיקריים:
תגובות חום אלו יכולות ליצור שטף עצמאי. מחקר מראה שעבור כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס מעל 30 מעלות, קצב היצירת ליתיום על האנודה מתכפל – שלב חשוב המוביל לריצה תרמית.
תאי ליתיום יון מתחילים להיכנס לקשיים חמורים כאשר הטמפרטורה הפנימית מגיעה לכ-150 מעלות צלזיוס. בשלב זה הם נכנסים למה שנקרא ריצה תרמית, כלומר תגובה מסדרילית בה החום שנוצר ממשיך להצטבר במהירות רבה יותר משיכלה להיעלם. התוצאות? התאים עלולים לשחרר גז, להבעיר או אפילו להתפוצץ תוך שניות, בהתאם למחקרים תעשייתיים שונים. מערכות ניהול סוללות מודרניות בהחלט סייעו לצמצם את סוגיות אלו. יצרנים מדווחים על ירידה של כמעט 97 אחוז באירועים מסוג זה מאז 2018, לפי דיווח של Energy Storage News מהשנה שעברה. עם זאת, מערכות של 48 וולט הן במיוחד פגיעות ל scenariots כישלון מסוכנים למדי, הכוללים:
| גורם סיכון | סף השפעה | תוצאה |
|---|---|---|
| התכה של מפריד | 130° צלזיוס | קצר פנימי |
| הצתת חומר חשמלי | 200°C | הרחבת להט |
| פירוק הקטודה | 250°C | שחרור גז רעיל |
קירור פעיל ומעקב תרמי מתמיד הם חיוניים ngănעת תוצאות קטסטרופליות בסצnenaries של חום גבוה.
סוללות יוני-ליתיום מתקשות כשקר, מכיוון שהיונים בתוכן נתקלים בהתנגדות רבה יותר ככל שטמפרטורה יורדת. כשמדובר על משהו כמו מינוס 20 מעלות צלזיוס (בערך מינוס 4 מעלות פרנהייט), הקיבולת של הסוללה יורדת במהירות לכ-60% מהקיבולת הרגילה בטמפרטורת החדר. גם המתח סובל, ויורד בכ-30%. זה חשוב מאוד לדברים כמו רכבים חשמליים או מערכות איחסון סולריות הנמצאות מחוץ לרשת, מכיוון שהdevices האלה צריכים זרם עקבי גם כשאמהNature משלחת עליהם את מזג האוויר החורפי הקיצוני ביותר, אבל תנאי קור עושים את זה הרבה יותר קשה להשיג.
כאשר סוללות נטענות מתחת לנקודת הקיפאון (32°F עבור מי שעדיין משתמשים בפרנהייט), מתרחשים שני בעיות עיקריות. ראשית, מתרחש תהליך הנקרא ציפוי ליתיום, שבו ליתיום מתכתי מצטבר על האלקטרודה השלילית של הסוללה. זה לא רק מטריד – מחקרים מאוניברסיטת הסוללות מראים שכל פעם שזה קורה, הסוללה מאבדת סביבות 15 עד 20% מהקיבולת הכוללת שלה לצמיתות. שנית, יש את הבעיה עם האלקטרוליט. בטמפרטורות שנמוכות כמו מינוס 30 מעלות צלזיוס, הנוזל בתוך הסוללה נעשה בערך שמונה פעמים סמיך יותר מהרגיל. דמיינו שпыיזים דבש דרך קשית כשאמור להיות זרימה חופשית. האלקטרוליט המסמיך מקשה מאוד על תנועת היונים בצורה תקינה, ולכן הסוללה לא נטענת באמת עד הסוף. רוב מערכות הסוללות התעשייתיות מגיעות עם אלמנטים חימום מובנים או בקרות טמפרטורה אחרות כדי למנוע את הרישוש הזה. אבל מטענים רגילים לצרכן? בדרך כלל אין בהם אמצעי בטיחות כאלה, מה שמסביר למה כל כך הרבה אנשים מסיימים ונפגמים את הסוללות שלהם מבלי אפילו להבין זאת.
ניסויים בשטח מראים שכיסויים עם ת regulation תרמית בהתקנות אנרגיה בארכטיка מאריכים את מחזור החיים ב-23% לעומת מערכות ללא ניהול.
החלון האופטימלי לפעולת סוללות 48V יוני-ליתיום הוא בין 20°C ל-30°C (68°F ל-86°F), כפי שמאושר על ידי מחקרים תעשייתיים משנת 2025 בתחום התעופה החשמלית. מתחת ל-15°C, הקיבולת השימושית יורדת ב-20–30%; תפעול ממושך מעל 40°C מאיץ את פירוק האלקטרוליט פי ארבעה בהשוואה לטמפרטורת החדר.
BMS מודרניות משולבות חיישני טמפרטורה מפוזרים ואלגוריתמים מותאמים כדי לשמור על איזון תרמי. מחקר משנת 2021 על עיצוב רב-שכבות הדגים כי BMS מתקדמות מפחיתות את הגרדיאנטים התרמיים בתוך החבילה ב-58% באמצעות הפצת עומס דינמית ושינוי קצב הטעינה.
מהנדסים מודרניים משתמשים בחומרי שינוי פאזה שיכולים לספוג כ-140 עד 160 קילו-ג'ול לקילוגרם בעת עליה פתאומית של חום, בשילוב עם שכבות בידוד קרמיקה שמעבירות חום במידה זניחה (רק 0.03 וואט למטר קלווין). לוחות הקירור הנוזלי עוזרים גם הם לשמור על קירור, ומבטיחים שטמפרטורת הפנים לא תעלה ביותר מ-5 מעלות צלזיוס גם במהלך הטעינה המהירה של 2C, שהצליחה במבחני יציבות תרמית של השנה שעברה. כל הרכיבים השונים הללו הפועלים יחדיו מבטיחים שבאטריות תהיה ביצועים עקביים, ללא תלות בסוג האקלים או תנאי הפעלה שמתקיימים בשטח.