EN
Viungo vya Haraka
Namna ambavyo betri za lithium-ion zinavyofanya kazi inategemea sana jinsi joto linavyoathiri mabadiliko ya kimetaboliki yake ndani. Wakati wa joto unaongezeka digrii 10 tu juu ya joto la chumba (lakini ni kama 77°F), vionishi ndani vinavyotembea kasi zaidi kwa asilimia 40 hadi 50. Hii husaidia betri kuwawezesha umeme bora lakini pia inaweza kusababisha vipande vikivunjika kwa muda. Mambo yanakuwa mbaya zaidi wakati unapowaka kuliko 70°C (karibu 158°F). Katika hatua hii, kitu kinachojulikana kama interphase ya umeme wa silia au kiini cha SEI kinaanza kuvunjika. Ufunuo huu wa ulinzi unazo umuhimu mkubwa wa kulinda anodi, kwa hiyo mara tu ikipoanguka, betri huacha kudumu kuchukua umeme milele. Upande mwingine, hali ya baridi pia husababisha matatizo. Chini ya 5°C (karibu 41°F), karanga ndani ya betri inabomoka sana, ikimfanya kionzi akisukumana kupitia. Hii inamaanisha nguvu iliyopatikana imepungua, takriban kati ya asilimia 15 na 30 ya uwezo wa betri kutoa umeme.
Wakati wa joto huisha chini ya kuzima, betri zinakabiliana na changamoto kubwa. Elektrolaiti ndani inavyekongwa sana karibu -20 digrii selisiasi (-4 fahenaiti) ikiongeza visikositi kwa asilimia 300 hadi 500. Wakati huo, uwezo wa betri kupokea malipo unanguka kwa takriban asilimia 60. Matatizo haya pamoja yanasababisha upinzani wa ndani uongezwe kwa asilimia 200 hadi 400 kulingana na kinachotokea katika joto la chumba kawaida. Kama ilivyo, mitaifa hiyo ya 48 volti ya lithium ion inapaswa kufanya juhudi ziada tu kwa ajili ya kufanya kazi vizuri. Kutazama nambari halisi za utendaji kutoka kwa magari ya umeme yanayofanya kazi katika mazingira ya Artiki inatoa kitu ambacho kinaonekana kama kinachoharibu pia. Wadereva wanaripoti kupoteza kama vile robo ya kimo cha kawaida cha kuendesha kwa sababu ya matatizo hayo yote kulingana na utafiti uliochapishwa na Jamii ya Kimtindo back in 2023.
Wakati betri zinapobaki muda mrefu katika mazingira ya moto karibu na 45 digrii Celsius (hii ni kama 113 Fahreheit), zinaanza kuharibika kasi zaidi kuliko kawaida. Uwasilivu wa miaka huwa umekatishwa mara tatu kiasi cha moja kuhusu wakati ukiwa kwenye mazingira bora. Majaribio ya hivi karibuni ya mwaka 2023 juu ya uchafu wa joto imeonesha kitu kinachosimama: betri zenye kuendesha kwenye joto hilo la juu zimepoteza kiasi cha asilimia 15 ya uwezo wake baada ya mzunguko tu wa 150, ambapo zile zenye kudumu kwenye joto la chumba (karibu na 25°C) zimeanguka tu kiasi cha asilimia 6. Na kuna tatizo lingine linaloendelea chini ya uso. Wakati joto linapowaka zaidi ya 40 digrii Celsius, safu ya SEI ndani ya betri hizo inakuwa mara tatu kasi kuliko kawaida. Hii inamaanisha kuwa viini vya lithium vinazungumana kila mara, vinivimba kidogo kikwako idadi ya vitu vinavyoweza kutumika ndani ya seli za betri kama wakati unavyopita.
Wakati betri zinapowachukua pembe za chini ya pointi ya kufa, kitu kinaivuruga tabia ya viwango vya lithium ndani yao. Badala ya kuhamia mahali pake sahihi ndani ya chombo cha anode, vinaweza kuanza kutengeneza mali ya kimetali juu ya uso wake. Kinachotokea kisha? Vile vile, vipato hivi vinawezesha matatizo. Vinasababisha ongezeko la uwezekano wa mikoa fupi kwa takriban 80%, ambayo ni jambo la kushangaza. Pia, vinasababisha kupungua kasi ya uwezo wa betri kwa muda. Bakhita, sasa kuna vifaa vya ufahamu vinavyoweza kutambua dalili hizo za awali za kusanyika kwa metali kabla hali ikawa mbaya. Kampuni zinazoshughulikia tatizo hili zimehitaji kutoa sheria kali sana kuhusu kasi ambavyo betri zinaweza kuchukuliwa wakati baridi kunakuja nje. Zaidi ya hayo, zote zimepanga kiwango cha juu cha kuchukua hakuna kingine kuliko 0.2C wakati pembe za mazingira zinapungua chini ya digrii tano Celsius.
Tabia ya joto la batare za lithium ion zenye 48V inabadilika kiasi kikubwa kulingana na mahali ambapo zinatumika. Kama mfano, katika magari yenye nishati ya umeme, modeli kadhaa ya sasa yanategemea kuponya kwa njia ya karai ili kudumisha viwango vya joto cha kifungu cha batare chini ya digrii 40 wakati wa kuendesha barabara kuu. Hii husaidia kuhifadhi kiasi kikubwa cha uwezo wa awali wa batare, kama vile asilimia 98 hata baada ya kukamilika kwa mzunguko wa malipo 1000. Lakini mambo yanakuwa ngumu zaidi wakati wa kuchunguza vituo vya kuhifadhi nishati kutoka kwa vyanzo vinavyotokana tena vya nishati yanayopatikana katika maeneo ya jangwani. Mifumo hii inawasilishwa kwa muda mrefu unaowafanya joto la mazingira likipita digrii 45. Matokeo? Uwezo wa batare huanguka kwa asilimia 12 ikiharibika haraka kuliko kile kinachotokea kwenye vituo vingine vilivyo katika maeneo yanayopatikana kwa joto kidogo. Ili kupambana na changamoto hizi, wazalishaji wameunda mifumo ya kudhibiti batare inayotambulika kama BMS (BMS - Battery Management Systems). Mifumo hii inashiriki utaratibu wa kujaza kiotomatiki na kuanzisha njia za kuponya wakati wowote seli fulani ianze kuwa moto sana, kawaida karibu na alama ya digrii 35. Wataalamu wa sekta wanachukua hii kama teknolojia muhimu ya kuongeza miaka ya matumizi ya batare katika mazingira magumu.
Kulingana na utafiti wa mwaka 2023 ulioangalia waraka wa kifahari, betri zenye rating ya voltu 48 ambazo zilipata mabadiliko ya joto kila siku kutoka kwa digrii -10 hadi +50 ilipoteza nguvu zao kama watumishiwa asilimia 25 baada ya miezi 18 tu. Hii ilikuwa ni mara tatu ikiwa kulinganisha na harakati ya uharibifu wa betri zilizokuwa mahali paliwezo wa kudhibitiwa. Wakati watafiti walipovunja betri hizi zilivyoanguka ili kuzichunguza karibu zaidi, waligundua matatizo kama vile kupakia kwenye lithium unapochanzwa katika mazingira ya baridi, pamoja na tatizo la vipenge vya kuzima kuwa na ukubwa mdogo zaidi wakati joto linapowaka juu sana. Kutazama upande mwingine, betri za viwandani zilizosaniriwa kwa mifumo ya usimamizi wa joto zilitajwa vizuri zaidi. Hizi zilijumuisha vitu maalum vya mabadiliko ya awamu ambavyo vilisaidia kudumisha upinzani wake wa umeme kwa thabiti kama watumishiwa asilimia 3 chini au juu kwa muda wa masafarisha 2000 ya malipo. Hii inaonyesha wazi kwamba ni muhimu sana kudumisha udhibiti sahihi wa joto kwa betri zinazofanya kazi kwenye mazingira magumu.
Kushindwa kufanya kazi juu ya 40°C husonga haraka uharibifu, ukiondoa maisha ya sikuli hadi 40% kulingana na 25°C (Nature 2023). Joto la juu linawashuki safu za SEI na kuchukua kusonga vifaa vya joto, kinachowavamia uwezo wa mara kwa mara. Katika 45°C, betri zinaweza kupoteza 15–20% ya uwezo wake wa awali ndani ya mzunguko wa 300 kutokana na uvurugaji wa cathode na oksidation ya electrolyte.
Joto la juu linanwasha njia tatu kuu za kuvunjika:
Majaribio haya ya exothermic yanaweza kutengeneza msambiko unaobakia kwa sababu yake. Utafiti unavyoonyesha kuongezeka kwa kila 10°C zaidi ya 30°C husawazisha kasi ya kupaka kwa lithium kwenye anode—hatua muhimu kabla ya kunyauka kwa joto.
Selili za lithium ionian huja kwenye shida kubwa wakati mafuyu ndani yanafika karibu 150 digrii Celsius. Wakati huo, humaliza katika kitendo kinachoitwa kunyauka kwa joto, ambacho ni kilichofuata kingine ambapo joto kinachozalishwa husonga haraka zaidi kuliko kinavyoweza kutoka nje. Matokeo? Selili zinaweza kutupa gesi, kuchoma, au hata kuvuruga sekunde chache kulingana na masomo mbalimbali ya maandalizi. Mifumo ya kusimamia betri ya kisasa imeonesha usaidizi mkubwa katika kupunguza aina hii ya tatizo. Watengenezaji wanaripoti kupunguza kwa karibu asilimia 97 katika matatizo haya tangu mwaka 2018 kulingana na Habari za Hifadhi ya Nishati kutoka mwaka jana. Bado, mifumo ya voltu 48 ina uwezekano mkubwa wa kuharibika kwa njia kali ikiwemo:
| Sababu ya Hatari | Kiwango cha Mgogoro | Matokeo |
|---|---|---|
| Kuwaka kwa kifukuzi | 130°C | Ushorti wa ndani |
| Kuanzisha umeme | 200°C | Sambaza ya moto |
| Upotoaji wa cathode | 250°C | Kuondoa gesi za sumu |
Kupakisha baridi kwa njia ya activa na ufuatiliaji wa mara kwa mara wa joto ni muhimu sana kupunguza matokeo mabaya katika mazingira ya joto la juu.
Batarini za lithium ion zinapambana sana wakati unapoburudika kwa sababu vionzi ndani vinakabiliana na upinzani zaidi kama wakati wa baridi unaanguka. Wakati tunazungumzia kitu kama kiasi cha hasi ishirini digrii Selsiasi (ambacho ni sawa na hasi nne Fahrenheiti), uwezo wa betri unanguka hadi kufikia takriban asilimia 60 ya uwezo wake wa kawaida katika joto la chumba. Pia, voltage inapungua kwa takriban asilimia 30. Hii ina maana makubwa kwa vitu kama gari elektriki au mitaro ya uhifadhi wa jua iliyopangwa mbali na mtandao. Vifaa hivi vinahitaji nguvu mara kwa mara hata wakati Asili inapowachukiza watu kwa hali mbaya ya baridi yake, lakini hali ya baridi hufanya jambo hilo liwe vigumu kupata.
Wakati betri zinapowachukua chini ya hatua ya kufa (ni 32°F kwa wale ambao bado hutumia Fahrenheit), kuna tatizo kubwa mbili ambayo hujiuzulu. Kwanza, kinachoitwa ubao wa lithiamu unatokea ambapo lithiamu kali linajikwaa mchakato hasi wa betri. Hii si tu kuchanganyikiwa – utafiti kutoka Chuo cha Betri kinaonyesha kila wakati hiki kinatokea, betri inapoteza kiasi cha 15 hadi 20% cha uwezo wake kwa milele. Kisha tuna tatizo la elektrolaiti. Wakati wa joto kama cha chini ya digrii 30 chini ya sifuri, karanga ndani ya betri linakuwa limezimika mara nane kuliko kawaida. Fikiria kama unajaribu kunyunyizia asali kupitia mkulima ambapo linapaswa kuimbilia kwa urahisi. Karanga kilichozimka kimefanya ionzi kusonga sawa kuwa vigumu sana, kwa hiyo betri haionekani kuwa imewachukuliwa kikamilifu. Zaidi ya vyenge vya betri vya viwandani vinakuja na vipengele vya kupaka joto au vitendo vingine vya udhibiti wa joto ili kuzuia ulevi huu. Lakini washtaki wa kawaida? Hawana hakuna upimaji wa usalama kama hayo, ambao unaelezea kwa nini watu wengi wanaishavusha betri zao bila kujua.
Vitengo vya uchunguzi vinavyofanyika maeneo ya Arktiki vinavyoonesha kuwa viwanda vinavyodhibitiwa kwa joto vinavyopanuka miaka ya matumizi kwa asilimia 23 ikilinganishwa na mifumo isiyofanyiwa usimamizi.
Dira ya uendeshaji bora kwa ajili ya betri za lithium-ion za 48V ni kati ya 20°C hadi 30°C (68°F hadi 86°F), kama ilivyothibitishwa na masomo ya maandalizi ya umeme ya anga ya mwaka 2025. Chini ya 15°C, uwezo wa kutumika unapungua kwa 20–30%; uendeshaji muda mrefu juu ya 40°C husonga uharibifu wa elektroliti mara nne ikilinganisha na joto la chumba.
BMS za kisasa zinajumuisha vitambulisho vya joto vinavyopambana na alijamiti zenye ubunifu ili kudumisha usawa wa joto. Masomo ya miundo ya miolo mingi ya mwaka 2021 yameonyesha kwamba BMS za kisasa zinapunguza tofauti za joto ndani ya mfuko kwa asilimia 58 kwa njia ya usambazaji wa mzigo unaobadilika na udhibiti wa kiwango cha kuwasilisha.
Wataalamu wa kisasa wanatumia vitu vya mabadiliko ya awamu ambavyo vinaweza kuchimba kwa takriban kilojoule 140 hadi 160 kwa kilo wakati wa ongezeko la joto, pamoja na safu za ubao wa kitosha ambazo hazichanganyi joto kabisa (tu watii 0.03 kwa mita Kelvin). Vipande vya kuponya kwa njia ya likidu pia vinaunganisha mambo, kuhakikisha kuwa vipimo vya joto vya uso haviongezi zaidi ya digrii 5 hata wakati wa mazoezi ya kuwasili kwa haraka ya 2C ambayo yamepita majaribio ya ustahimilivu wa joto iliyopita. Baadhi ya vipengele hivi vyote vinavyoshirikiana vina maana kwamba betri zinaweza kutendeka vizuri kila wakati bila kujali aina ya hali ya anga au mazingira ya utendaji ambayo zinakabiliana nazo uwanjani.