درجہ حرارت کا 48V لیتھیم آئن بیٹریوں کی کارکردگی پر اثر

درجہ حرارت اور لیتھیم آئن بیٹری کی کیمسٹری کے پیچھے سائنس

حرارتی دباؤ کے تحت الیکٹروکیمیکل ردعمل اور آئن موبلٹی

لیتھیم آئن بیٹریوں کے کام کرنے کا طریقہ درجہ حرارت کے ان کے اندرونی کیمیائی رد عمل پر اس کے اثرات پر شدید انحصار کرتا ہے۔ جب درجہ حرارت کمرے کے درجہ حرارت (تقریباً 77°F) سے صرف 10 درجہ سیلسیس بڑھ جاتا ہے، تو اندرونی آئنز تقریباً 40 سے 50 فیصد تیزی سے حرکت کرتے ہیں۔ اس سے بیٹری بہتر برقی موصل بن جاتی ہے لیکن وقتاً فوقتاً اجزا کے خراب ہونے کا باعث بھی بن سکتی ہے۔ جب درجہ حرارت 70°C (تقریباً 158°F) سے زیادہ ہو جاتا ہے تو حالات اور بھی خراب ہو جاتے ہیں۔ اس مرحلے پر، جس چیز کو سولڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس یا SEI لیئر کہا جاتا ہے، وہ ٹوٹنا شروع ہو جاتی ہے۔ یہ حفاظتی تہ بیٹری کے الیکٹروڈز کو محفوظ رکھنے کے لیے نہایت اہم ہے، اس لیے جیسے ہی یہ ختم ہوتی ہے، بیٹری مستقل طور پر اپنی صلاحیت کھو دیتی ہے۔ دوسری طرف، سرد موسم بھی مسائل کا باعث بنتا ہے۔ 5°C (تقریباً 41°F) سے کم درجہ حرارت پر، بیٹری کے اندر کا مائع بہت زیادہ گاڑھا ہو جاتا ہے، جس کی وجہ سے آئنز کو اس کے ذریعے حرکت کرنے میں دشواری ہوتی ہے۔ اس کا مطلب ہے دستیاب طاقت میں کمی، تقریباً 15 سے 30 فیصد تک کمی وہ طاقت جو بیٹری درحقیقت فراہم کر سکتی ہے۔

سرد حالات میں وولٹیج میں کمی اور اندرونی مزاحمت میں اضافہ

جب درجہ حرارت منجمد ہونے سے نیچے گرتا ہے، تو بیٹریوں کو کچھ سنگین چیلنجز کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ تقریباً -20 درجہ سیلسیس (-4 فارن ہائیٹ) پر بیٹری کے اندر الیکٹرو لائٹ کافی موٹا ہو جاتا ہے، جس سے اس کی وِسکوسٹی میں 300 سے 500 فیصد تک اضافہ ہو جاتا ہے۔ اسی وقت، بیٹری کی چارج قبول کرنے کی صلاحیت تقریباً 60 فیصد تک گر جاتی ہے۔ ان دونوں مسائل کی وجہ سے بیٹری کے اندر رزسٹنس عام کمرے کے درجہ حرارت کے مقابلے میں 200 سے 400 فیصد تک آسمان کو چھو جاتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، 48 وولٹ لیتھیم آئن سسٹمز کو مناسب طریقے سے کام کرنے کے لیے اضافی کوشش کرنا پڑتی ہے۔ قطب شمالی کے حالات میں کام کرنے والی الیکٹرک گاڑیوں کی اصل کارکردگی کے اعداد و شمار کو دیکھنے سے ایک اور تشویشناک بات سامنے آتی ہے۔ ڈرائیورز رپورٹ کرتے ہیں کہ 2023 میں الیکٹرو کیمیکل سوسائٹی کی جانب سے شائع کی گئی تحقیق کے مطابق، ان تمام مسائل کی وجہ سے ان کی معمول کی ڈرائیونگ رینج تقریباً چوتھائی تک کم ہو جاتی ہے۔

اعلیٰ درجہ حرارت پر صلاحیت میں کمی اور کم کارکردگی

جب بیٹریاں 45 درجہ سیلسیس کے اردگرد گرم ماحول میں بہت دیر تک رہتی ہیں (یہ تقریباً 113 فارن ہائیٹ ہے)، تو وہ عام کے مقابلے میں تیزی سے خراب ہونا شروع ہو جاتی ہیں۔ عمر تقریباً دو اور آدھے گنا کم ہو جاتی ہے جب انہیں مثالی حالات سے نیچے رکھا جاتا ہے۔ 2023 میں تھرمل ایجنگ پر حالیہ ٹیسٹس نے کچھ انتہائی اہم باتیں ظاہر کیں: اس زیادہ درجہ حرارت پر چلنے والی بیٹریوں نے صرف 150 چارج سائیکل کے بعد اپنی گنجائش کا تقریباً 15 فیصد کھو دیا، جبکہ وہ بیٹریاں جو کمرے کے درجہ حرارت (تقریباً 25C) پر برقرار رکھی گئی تھیں، صرف تقریباً 6 فیصد کم ہوئیں۔ اور سطح کے نیچے ایک اور مسئلہ بھی ہوتا ہے۔ ایک بار جب درجہ حرارت 40 درجہ سیلسیس سے آگے بڑھ جاتا ہے، تو ان بیٹریوں کے اندر SEI لیئر عام کے مقابلے میں تین گنا تیزی سے بڑھتی ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ زیادہ لیتھیم آئنز ہمیشہ کے لیے پھنس جاتے ہیں، جو وقتاً فوقتاً بیٹری خانوں کے اندر استعمال ہونے والی مواد کی مقدار کو آہستہ آہستہ کم کرتے جاتے ہیں۔

کم درجہ حرارت پر چارجنگ کے دوران لیتھیم پلیٹنگ کے خطرات

جب بیٹریوں کو منجمد نقطہ سے کم درجہ حرارت پر چارج کیا جاتا ہے، تو لیتھیم آئنز کے اندر ان کے رویے میں کچھ غلط ہو جاتا ہے۔ اینوڈ مواد کے اندر اپنی مناسب جگہوں میں منتقل ہونے کے بجائے، وہ سطح پر دھاتی تہوں کی شکل اختیار کرنا شروع کر دیتے ہیں۔ اس کے بعد کیا ہوتا ہے؟ خیر، یہ تہیں مسائل پیدا کرتی ہیں۔ واقعی، یہ تقریباً 80% تک شورٹ سرکٹ کے امکانات کو بڑھا دیتی ہیں، جو کہ کافی سنگین بات ہے۔ اس کے علاوہ، یہ بیٹری کی کل صلاحیت کو وقت کے ساتھ تیزی سے کم کر دیتی ہیں۔ خوش قسمتی سے، اب تشخیصی اوزار دستیاب ہیں جو چیزوں کے بگڑنے سے پہلے دھاتی تہوں کی ابتدائی علامات کو نشاندہی کرتے ہیں۔ اس مسئلہ سے نمٹنے والی کمپنیوں کو سرد موسم میں بیٹریوں کو چارج کرنے کی رفتار کے بارے میں بہت سخت قواعد وضع کرنے پڑے ہیں۔ زیادہ تر کمپنیاں اس وقت کے اردگرد کے درجہ حرارت 5 ڈگری سیلسیس سے کم ہونے پر زیادہ سے زیادہ چارج کی شرح 0.2C سے زیادہ طے کرتی ہیں۔

48V لیتھیم آئن بیٹری سسٹمز کی حقیقی دنیا کی حرارتی کارکردگی

الیکٹرک گاڑیوں اور تجدید پذیر توانائی اسٹوریج سسٹمز میں کارکردگی

48V لیتھیم آئن بیٹریوں کا حرارتی رویہ مختلف مقامات پر استعمال ہونے کے باعث کافی حد تک مختلف ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر الیکٹرک کاروں میں، آج کل کے زیادہ تر ماڈلز شاہراہوں پر چلتے وقت بیٹری پیکس کو 40 درجہ سیلسیس سے کم رکھنے کے لیے بالواسطہ مائع کولنگ پر انحصار کرتے ہیں۔ اس سے 1000 مکمل چارج سائیکلز کے بعد بھی اصل بیٹری کی صلاحیت کا تقریباً 98 فیصد برقرار رہتا ہے۔ تاہم، صحرا کے علاقوں میں واقع قابل تجدید توانائی کے اسٹوریج انسٹالیشنز کو دیکھنے پر معاملات پیچیدہ ہو جاتے ہیں۔ ان نظاموں کو 45 درجہ سیلسیس سے تجاوز کرنے والے ماحولیاتی درجہ حرارت کے ساتھ طویل عرصے تک نمٹنا پڑتا ہے۔ نتیجہ؟ بیٹری کی صلاحیت اسی قسم کی یونٹس کے مقابلے میں تقریباً 12 فیصد تیزی سے خراب ہوتی ہے جو سرد علاقوں میں رکھی گئی ہوں۔ ان مسائل سے نمٹنے کے لیے، تیار کنندگان نے جدید بیٹری مینجمنٹ سسٹمز، مختصر میں BMS، تیار کیے ہیں۔ یہ اسمارٹ سسٹمز خودکار طور پر چارجنگ کی رفتار کو ایڈجسٹ کرتے ہیں اور جب بھی انفرادی سیلز تقریباً 35 درجہ سیلسیس کے اردگرد گرم ہونا شروع ہوتی ہیں تو کولنگ کے ذرائع کو فعال کر دیتے ہیں۔ صنعت کے ماہرین اسے مشکل ماحول میں بیٹری کی زندگی کو لمبا کرنے کے لیے ایک اہم ٹیکنالوجی سمجھتے ہیں۔

کیس اسٹڈی: درجہ حرارت کی شدید حدود کی وجہ سے صنعتی 48V بیٹری کا خراب ہونا

2023 کے ایک مطالعہ کے مطابق جس میں انبار کے روبوٹس پر نظر ڈالی گئی، وہ بیٹریاں جن کی درجہ بندی 48 وولٹ تھی اور جنہیں روزانہ منفی 10 درجہ سیلسیس سے لے کر 50 درجہ سیلسیس تک درجہ حرارت میں تبدیلی کا سامنا کرنا پڑا، صرف 18 ماہ کے بعد اپنی طاقت کا تقریباً 25 فیصد کھو بیٹھیں۔ یہ وہ شرحِ تحلیل ہے جو کنٹرول شدہ موسمی حالات میں رکھی گئی بیٹریوں کے مقابلے میں تین گنا تیز ہے۔ جب محققین نے ان خراب ہونے والی بیٹریوں کو قریب سے معائنہ کرنے کے لیے توڑا، تو انہوں نے مشینوں کے سرد حالات میں شروع ہونے پر لیتھیم پلیٹنگ (lithium plating) کی حیثیت سے مسائل کا سامنا کیا، اس کے علاوہ درجہ حرارت میں شدید اضافے کے وقت سیپریٹرز کے سکڑنے کے مسائل بھی دریافت ہوئے۔ دوسری جانب، حرارتی انتظامی نظام (thermal management systems) کے ساتھ تیار کردہ صنعتی بیٹریوں کی کارکردگی دراصل بہت بہتر رہی۔ ان بیٹریوں میں خصوصی فیز چینج مواد (phase change materials) شامل کیے گئے تھے جنہوں نے 2000 چارج چکروں کے دوران ان کی برقی مزاحمت کو تقریباً مثبت یا منفی 3 فیصد کے قریب مستحکم رکھنے میں مدد کی۔ اس سے واضح ہوتا ہے کہ سخت ماحولیاتی حالات میں کام کرنے والی بیٹریوں کے لیے مناسب درجہ حرارت کنٹرول برقرار رکھنا کتنا اہم ہے۔

اعلیٰ درجہ حرارت کے خطرات: طویل عمر، حفاظت اور حرارتی بے قابو ہونا

حرارت کی وجہ سے سائیکل کی زندگی میں کمی اور صلاحیت کا کم ہونا

40°C سے زیادہ پر آپریٹنگ 25°C کے مقابلے میں سائیکل کی زندگی کو تقریباً 40% تک کم کردیتی ہے (نیچر 2023)۔ بلند درجہ حرارت SEI لیئر کو غیر مستحکم کرتی ہیں اور حرارتی تحلیل کو فروغ دیتی ہیں، جس کی وجہ سے صلاحیت میں مستقل نقصان ہوتا ہے۔ 45°C پر بیٹریز 300 سائیکل کے اندر اپنی ابتدائی صلاحیت کا 15–20% کھو سکتی ہیں، جو کیتھوڈ کے ٹوٹنے اور الیکٹرولائٹ کے آکسیکرن کی وجہ سے ہوتا ہے۔

لیتھیم آئن بیٹریز میں حرارتی تخریب کے میکانزم

اعلیٰ درجہ حرارت تین بنیادی ناکامی کے راستوں کو شروع کرتی ہے:

• 80°C سے SEI لیئر کا تحلیل ہونا، جو قابل اشتعال ہائیڈروکاربن خارج کرتا ہے
• 120°C سے زیادہ پر الیکٹرولائٹ کا ٹوٹنا، جو گیسی ماورث کی تشکیل کرتا ہے
• کیتھوڈ کا حل ہونا، جو توانائی کی کثافت کو مستقل طور پر کم کردیتا ہے

یہ مُحرِمِ حرارت تفاعل خود بخود جاری زنجیرہ تشکیل دے سکتے ہیں۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ 30°C سے اوپر ہر 10°C اضافہ لیتھیم پلیٹنگ کی شرح کو اینوڈ پر دوگنا کر دیتا ہے—جو حرارتی بے قابو ہونے کا ایک اہم پیش خیمہ ہے۔

زیادہ گرم 48V سسٹمز میں حرارتی بے قابو ہونے اور حفاظتی خطرات

لیتھیم آئن سیلز تب تک نقصان دہ مرحلے میں داخل ہو جاتے ہیں جب اندر کا درجہ حرارت تقریباً 150 درجہ سیلسیس تک پہنچ جاتا ہے۔ اس وقت وہ حرارتی بے قابو ہونے کی حالت میں چلے جاتے ہیں، بنیادی طور پر ایک زنجیرہ وار رد عمل جہاں پیدا ہونے والی حرارت اتنی تیزی سے بڑھتی ہے کہ اس سے نکلنا ناممکن ہو جاتا ہے۔ نتیجہ کیا ہوتا ہے؟ صنعت کے مختلف مطالعات کے مطابق، سیلز سیکنڈوں کے اندر گیس خارج کر سکتے ہیں، آگ پکڑ سکتے ہیں، یا پھٹ بھی سکتے ہیں۔ تاہم جدید بیٹری مینجمنٹ سسٹمز نے یقیناً ایسی پریشانیوں میں کمی میں مدد کی ہے۔ گزشتہ سال انرجی اسٹوریج نیوز کے مطابق، صنعت کاروں نے 2018 کے بعد ایسے واقعات میں تقریباً 97 فیصد کمی کی اطلاع دی ہے۔ پھر بھی، 48 وولٹ سسٹمز کچھ انتہائی خطرناک خرابی کی صورتحال کے لیے خاص طور پر ناگوار ہیں، جن میں شامل ہیں:

اعلیٰ حرارت کے حالات میں تباہ کن نتائج کو روکنے کے لیے فعال تبرید اور مسلسل حرارتی نگرانی ضروری ہے۔

کم درجہ حرارت کے چیلنجز اور چارجنگ کی پابندیاں

سرد ماحول میں صلاحیت اور طاقت کی کمی

لیتھیم آئن بیٹریاں واقعی سردی میں مشکلات کا شکار ہوتی ہیں کیونکہ درجہ حرارت کے کم ہونے کے ساتھ اندر موجود آئنز کو زیادہ مزاحمت کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ جب ہم منفی 20 درجہ سیلسیس (تقریباً منفی 4 فارن ہائیٹ) جیسی بات کرتے ہیں، تو بیٹری کی صلاحیت کمرے کے درجہ حرارت پر اس کی معمول کی صلاحیت کے تقریباً 60 فیصد تک گر جاتی ہے۔ وولٹیج بھی متاثر ہوتا ہے، تقریباً 30 فیصد کم ہو جاتا ہے۔ یہ بات برقی گاڑیوں یا گرڈ سے دور واقع سورجی ذخیرہ اقسام جیسی چیزوں کے لیے بہت اہم ہے۔ ان اشیاء کو مستقل طاقت کی ضرورت ہوتی ہے حتیٰ کہ تب بھی جب قدرت ان پر اپنا بدترین سرد موسم ڈال دے، لیکن سرد موسم اسے حاصل کرنا بہت مشکل بنا دیتا ہے۔

منجمد درجہ حرارت سے نیچے چارجنگ کی غیر موثرگی اور خطرات

جب بیٹریوں کو منجمد نقطہ سے نیچے چارج کیا جاتا ہے (جو فارن ہائیٹ استعمال کرنے والوں کے لیے 32°F ہے)، تو بنیادی طور پر دو بڑی پریشانیاں پیدا ہوتی ہیں۔ سب سے پہلے، لیتھیم پلیٹنگ کا معاملہ ہوتا ہے جہاں دھاتی لیتھیم بیٹری کے منفی الیکٹروڈ پر جمع ہو جاتا ہے۔ یہ صرف پریشان کن ہی نہیں ہے – بلکہ بیٹری یونیورسٹی کی مطالعات ظاہر کرتی ہیں کہ ہر بار ایسا ہونے پر بیٹری اپنی کل گنجائش کا تقریباً 15 سے 20 فیصد مستقل طور پر کھو دیتی ہے۔ پھر ہمارے پاس الیکٹرولائٹ کا مسئلہ ہے۔ منفی 30 درجہ سیلسیس جتنے کم درجہ حرارت پر، بیٹری کے اندر موجود مائع عام حالت کے مقابلے میں تقریباً آٹھ گنا زیادہ موٹا ہو جاتا ہے۔ تصور کریں کہ آپ شہد کو ایک سٹرا کے ذریعے ڈالنے کی کوشش کر رہے ہیں جبکہ وہ آزادانہ بہنا چاہیے۔ موٹے الیکٹرولائٹ کی وجہ سے آئنز کے مناسب طریقے سے حرکت کرنا مشکل ہو جاتا ہے، اس لیے بیٹری مکمل طور پر چارج نہیں ہو پاتی۔ زیادہ تر صنعتی بیٹری سسٹمز میں اندرونی ہیٹنگ عناصر یا دیگر درجہ حرارت کنٹرول موجود ہوتے ہیں تاکہ اس الجھن کو روکا جا سکے۔ لیکن عام صارفین کے چارجرز؟ ان میں عام طور پر ایسے حفاظتی اقدامات نہیں ہوتے، جو اس بات کی وضاحت کرتے ہیں کہ بہت سے لوگ اپنی بیٹریوں کو خراب کر دیتے ہیں بغیر یہ جانے کے۔

انتہائی سردی میں لیتھیم آئن بیٹریوں کو چارج کرنے کے بہترین طریقے

1. بیٹریوں کی پیشگی تنصیب چارجنگ سے پہلے بیرونی ہیٹرز یا عایت شدہ خانوں کے ذریعے 5–15°C (41–59°F) تک
2. چارج کی شرح کی حد تک صفر سے کم درجہ حرارت کی حالت میں پلیٹنگ کے خطرے کو کم کرنے کے لیے 0.2C تک
3. بیٹری مینجمنٹ سسٹمز (BMS) کا استعمال کریں درجہ حرارت کی حد کے ساتھ جو 0°C سے نیچے چارجنگ کو روک دیتا ہے
4. غیر معمولی سطحوں کے لیے وولٹیج کریوز کی نگرانی کریں جو ابتدائی لیتھیم جمع ہونے کی نشاندہی کر سکتی ہیں

فیلڈ ٹرائلز ظاہر کرتے ہیں کہ قطبی توانائی کے انسٹالیشنز میں حرارتی تنظیم شدہ خانوں کا استعمال سائیکل کی زندگی کو غیر منظم سسٹمز کے مقابلے میں 23% تک بڑھا دیتا ہے۔

موثر کارکردگی کی حد اور جدید درجہ حرارت کے انتظام کی حکمت عملیاں

48V لیتھیم آئن بیٹری کی بہترین کارکردگی کے لیے مثالی درجہ حرارت کی حد

48V لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیے موزوں کام کرنے کی حد 20°C سے 30°C (68°F سے 86°F) ہے، جیسا کہ برقی ہوابازی میں 2025 کے صنعتی مطالعات سے تصدیق ہوئی ہے۔ 15°C سے نیچے، استعمال ہونے والی گنجائش 20 تا 30 فیصد تک کم ہو جاتی ہے؛ 40°C سے زیادہ درجہ حرارت پر لمبے عرصے تک کام کرنے سے الیکٹرو لائٹ کے ٹوٹنے کی شرح کمرے کے درجہ حرارت کے مقابلے میں چار گنا زیادہ ہو جاتی ہے۔

حقیقی وقت میں حرارتی تنظیم کے لیے بیٹری مینجمنٹ سسٹمز (BMS)

جدید BMS تقسیم شدہ درجہ حرارت کے سینسرز اور موافقت پذیر الگورتھم کو ضم کرتے ہیں تاکہ حرارتی توازن برقرار رکھا جا سکے۔ 2021 کے ایک کثیر لیکنی ڈیزائن کے مطالعے نے ظاہر کیا کہ جدید BMS ڈائنامک لوڈ تقسیم اور چارج کی شرح کی مناسب مقدار کے ذریعے بیٹری پیک کے اندر حرارتی فرق کو 58 فیصد تک کم کر دیتے ہیں۔

جدید بیٹری ڈیزائن میں تبرید، تعمیر اور عزل کے حل

جدید مہندس وہ فیز چینج مواد استعمال کر رہے ہیں جو اچانک حرارت کی لہر آنے پر تقریباً 140 سے 160 کلو جول فی کلوگرام تک حرارت جذب کر سکتے ہیں، نیز سیرامک عایت کی تہیں شامل ہیں جو بالکل بھی حرارت کا اچھا اخراج نہیں کرتیں (صرف 0.03 واٹ فی میٹر کیلوین)۔ مائع کولنگ پلیٹس بھی چیزوں کو ٹھنڈا رکھتی ہیں، یقینی بناتے ہوئے کہ سطح کا درجہ حرارت 2C تیز چارجنگ کے دوران بھی صرف 5 درجہ سیلسیس تک ہی بڑھے، جو گزشتہ سال کے حرارتی استحکام کے تجربات میں کامیابی سے پار ہو گئی تھیں۔ میدان میں مختلف قسم کے موسم یا آپریٹنگ حالات کا مقابلہ کرتے وقت بیٹریاں مستقل اچھی کارکردگی کا مظاہرہ کریں، اس کا باعث ان تمام مختلف اجزاء کا ایک ساتھ کام کرنا ہے۔