جدول المحتويات
السلوك الحراري كمفتاح لأداء البطارية
يتطلب تطوير بطاريات فعالة وطويلة الأمد فهماً مفصلاً للخصائص الفيزيائية الحرارية لمكونات الخلايا. وعند توصيف
طريقة الجسر الساخن العابر: التفوق التقني
إن THB -تعمل الطريقة على تحسين دقة قياس الخصائص الحرارية لمكونات الخلية على عدة مستويات، وتوفر مزايا حاسمة مقارنةً بالطرق القديمة مثل طريقة الشريط الساخن العابر (THS) أو طرق أسلاك التسخين الكلاسيكية. وكطريقة قياس مطلقة، فهي لا تتطلب معايرة إضافية أو قياسًا مرجعيًا إضافيًا، مما يزيل الأخطاء المنهجية الناتجة عن الانحرافات المرجعية (Linseis Messgeräte GmbH، 2024).
التصميم الفني ومبدأ القياس
يتم تحقيق مستشعر طريقة THB على شكل دائرة مطبوعة مصنوعة من النيكل بين رقاقتين من البوليميد. ويتكون التصميم من أربعة شرائط تسخين مرتبة بالتوازي ومتصلة لتشكيل جسر ويتستون. عند درجة حرارة ثابتة، يكون الجسر متوازنًا بطبيعته، أي أنه لا يحتاج إلى معايرة.
ومن المزايا المهمة بشكل خاص لطريقة THB تعويض تأثيرات الحواف. فبينما تتأثر طرق أسلاك التسخين التقليدية بفقدان الحرارة عبر الوصلات أو مناطق الحواف، يتم قياس تأثيرات الحواف هذه باستخدام طريقة قياس THB، وبالتالي يمكن خصمها من النتيجة.
تغطي هذه الطريقة نطاقًا واسعًا من قياسات التوصيل الحراري من 0.01 إلى 1000 واط/(م*ك) وتفي بالمعايير الدولية مثل ASTM D5930 , ASTM D7896-19 و ISO 22007-2 مما يضمن إمكانية المقارنة وضمان الجودة. وتعتبر أوقات القياس القصيرة التي غالبًا ما تكون أقل من دقيقة واحدة مفيدة بشكل خاص.
المعلمات الفيزيائية الحرارية الحرجة لخلايا البطاريات
هناك العديد من المعلمات الفيزيائية الحرارية ذات أهمية حاسمة لتقادم وكفاءة خلايا NMC وLFP أثناء دورات الشحن والتفريغ:
تحدد الموصلية الحرارية مدى كفاءة تبديد الحرارة داخل الخلية. تضمن الموصلية الحرارية العالية توزيعًا متساويًا لدرجات الحرارة وتمنع البقع الساخنة التي يمكن أن تسبب درجات حرارة موضعية عالية وبالتالي تسارع التقادم. يُظهر ماركونيه وآخرون (2024) أن انخفاض الموصلية الحرارية بسبب التقادم يقلل بشكل مباشر من أداء وسلامة بطاريات الليثيوم أيون – في بعض الحالات بنسبة تصل إلى 75% بعد الأحمال الطويلة ذات درجات الحرارة العالية وعدة آلاف من الدورات.
تحدد السعة الحرارية النوعية مقدار الحرارة التي يمكن لمكون الخلية امتصاصها حتى ترتفع درجة الحرارة. المواد ذات السعة الحرارية العالية تخزن التقلبات في درجات الحرارة بشكل أفضل، وبالتالي يمكن أن تقلل من تلف الخلايا أثناء عمليات الشحن/التفريغ السريع. يمكن أن تتغير السعة الحرارية النوع ية بسبب التقادم وإرهاق المواد، وبالتالي تؤثر على ملامح درجة الحرارة أثناء الدورة.
يشير الانتشار الحراري إلى مدى سرعة انتشار التغيرات في درجة الحرارة عبر المادة. ويؤدي الانتشار الحراري المنخفض إلى مناطق درجة حرارة متغيرة بالقصور الذاتي داخل الخلية – وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص عند معدلات C المرتفعة، حيث يمكن أن تتشكل تدرجات درجة حرارة خطيرة في مثل هذه الحالات، مما يعزز الشيخوخة المتسارعة محليًا.
أمثلة تطبيقية عملية
توصيف مادة الأنود
ومن الأمثلة التطبيقية المحددة قياس الموصلية الحرارية لمادة الأنود المطبقة على مجمع تيار نحاسي رقيق. هذه القياسات مهمة لتطوير وتحسين وتصميم أنظمة الإدارة الحرارية للبطاريات. تتيح طريقة THB إمكانية توصيف كل من الطلاء ومواد الركيزة بالكامل.
مراقبة الجودة في إنتاج البطاريات
في إنتاج البطاريات الصناعية، تُستخدم طريقة THB للتحكم المستمر في جودة المواد الخام.
تطوير مواد أقطاب كهربائية جديدة
تقدم هذه الطريقة نتائج للمواد الصلبة والسوائل وكذلك المساحيق والمعاجين بدقة قياس عالية، مما يجعلها ذات قيمة خاصة لتطوير مواد مبتكرة للإلكترود.
الاعتبارات الخاصة بالمواد وتأثيرات التقادم
تُعرف خلايا LFP باستقرارها الكيميائي واعتمادها المعتدل على درجة الحرارة، لكن التلف البنيوي الدقيق للقطب الكهربائي بسبب التحميل الدوري يمكن أن يؤدي إلى تدهور كبير في التوصيل الحراري والسعة الحرارية. غالبًا ما تُظهر خلايا NMC اعتمادًا أقوى على درجة الحرارة والتقادم في خواصها الحرارية، مما يضع متطلبات أعلى على الإدارة الحرارية وتوصيف المواد (علي وآخرون، 2023).
توفر الإلكتروليتات الصلبة إمكانية زيادة السلامة، لكن توصيلها الحراري الجوهري المنخفض في بعض الأحيان يطرح تحديات جديدة لتجانس درجة الحرارة ويتطلب طرق قياس دقيقة ومحللة مكانيًا بشكل خاص مثل THB. يؤكد شتاينهارت وآخرون (2022) تجريبيًا أن الزيادات والتدرجات القوية في درجات الحرارة لها تأثير سلبي على كل من تقادم الخلايا وأدائها.
المقارنة بين الطرق: طرق THB مقابل الطرق المعمول بها
مقارنة مع تحليل الوميض بالليزر (LFA)
توفر طريقة قياس THB التوصيل الحراري والانتشار الحراري، وإذا كانت الكثافة معروفة، توفر السعة الحرارية النوعية. باستخدام
إن ميزة LFA هو نطاق درجات الحرارة الكبير الذي يمكن تغطيته من -150 إلى 2800 درجة مئوية. يمكن استخدام THB في نطاق درجة الحرارة من -150 إلى 700 درجة مئوية.
المزايا مقارنة بطرق الأسلاك الساخنة التقليدية
تعاني طرق الأسلاك الساخنة التقليدية من تأثيرات الحواف وتأثيرات الكابلات التي يمكن أن تؤدي إلى أخطاء قياس منتظمة. ويزيل جهاز THB هذه المشاكل عن طريق:
- يؤدي قياس وتعويض التأثيرات الحدودية إلى دقة أعلى بكثير
- يعمل تكوين الجسر على تبسيط معايرة جهاز القياس وتشغيله إلى حد كبير
المزايا مقارنة بطرق الأسلاك الساخنة التقليدية
تعاني طرق الأسلاك الساخنة التقليدية من تأثيرات الحواف وتأثيرات الكابلات التي يمكن أن تؤدي إلى أخطاء قياس منتظمة. ويزيل جهاز THB هذه المشاكل عن طريق:
- يؤدي قياس وتعويض التأثيرات الحدودية إلى دقة أعلى بكثير
- يعمل تكوين الجسر على تبسيط معايرة جهاز القياس وتشغيله إلى حد كبير
الأهمية بالنسبة لسلامة البطارية
إن التوصيف الدقيق للخصائص الفيزيائية الحرارية أمر بالغ الأهمية لتقييم سلامة البطاريات. وتطلب السلطات التنظيمية بشكل متزايد نماذج حرارية مفصلة للتنبؤ بالسلوك في ظل ظروف إساءة الاستخدام. وتوفر طريقة THB المتوافقة مع المعايير القياسية البيانات الأساسية اللازمة لتقييمات السلامة هذه وتساهم في الموافقة على منتجات البطاريات.
خاتمة للبحث والتطوير
تزيد طريقة الجسر الساخن العابر من دقة قياس الخصائص الحرارية لمكونات الخلية من خلال القياس الخالي من المعايرة والمعوض بالتأثير الحدودي والمرونة العالية للمواد وأوقات القياس القصيرة. لا يمكن تقييم مواد الخلايا بكفاءة وتطوير تصميمات جديدة وضمان معايير الجودة اليوم إلا من خلال قياسات دقيقة وقابلة للتكرار لجميع المعلمات الفيزيائية الحرارية ذات الصلة. لتوصيف مواد البطاريات الحديثة وتحسينها – من الأقطاب الكهربائية والفواصل إلى الشوارد الصلبة – وبالتالي فهي أداة لا غنى عنها في المختبر وتوفر أقصى قدر من الدقة ومرونة التطبيق خصيصًا لتلبية احتياجات البحث والتطوير الحديث للبطاريات.
الببليوغرافيا
علي، هـ. وآخرون. (2023). “تقييم تقويم تقادم بطاريات الليثيوم أيون لتطبيقات السيارات الكهربائية”. Frontiers in Energy Research:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1152637/fullماركونيه، أ. وآخرون. (2024). “تأثير الشيخوخة على الخصائص الفيزيائية الحرارية لأقطاب بطاريات الليثيوم أيون”. مجلة مصادر الطاقة:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003636Hammerschmidt, U. “الجسر الساخن العابر”. Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig:
https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt01/fb-11/ag-113/waermetransport-in-festkoerpern/transient-hot-bridge-messverfahren.htmlشتاينهارت، م. وآخرون. (2022). “التحقيق التجريبي في التوصيلية الحرارية لمكونات بطاريات الليثيوم أيون” (طبعة مسبقة مفتوحة الوصول على arXiv):
https://arxiv.org/abs/2203.12535
