إطلاق العنان لإمكانات تحليلات البطاريات - تطبيقات البطاريات
جدول المحتويات
تعظيم كفاءة البطاريات وسلامتها
في عالم يتسم بالاعتماد المتزايد على الطاقة، تلعب البطاريات دوراً حاسماً في مستقبل مستدام. صُممت أدواتنا التحليلية الدقيقة لتحسين كفاءة البطاريات وسلامتها مع إطالة عمرها الإنتاجي.
تهدف التقنيات المتقدمة إلى دفع حدود ما هو ممكن في تحليلات البطاريات مع المساهمة في عالم أكثر اخضراراً. والهدف من ذلك هو استكشاف كيف يمكن للبطاريات أن تعمل بشكل أفضل وتدوم لفترة أطول وتكون أكثر أماناً.
التطورات والمزايا التكنولوجية القائمة على تطوير بطاريات السيارات والهواتف المحمولة
مقدمة في كيمياء خلايا البطاريات
كيمياء الخلايا هي المبدأ الأساسي وراء عمل البطاريات وخصائص أدائها. وهي تتألف من تفاعل معقد من العمليات الكهروكيميائية وعلوم المواد التي تشكل أساس تخزين الطاقة وإطلاقها.
في هذا التفاعل، تعمل المكونات الرئيسية للبطارية – الكاثود والأنود والإلكتروليت والفاصل – بطريقة مضبوطة بدقة لتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها مرة أخرى بكفاءة.
يحدد الكاثود والأنود، وهما النظيران الكهروكيميائيان في خلية البطارية، المعلمات الرئيسية مثل جهد الخلية وسعة الطاقة واستقرار الدورة من خلال خصائص الأكسدة والاختزال المعتمدة على المواد.
تخضع المواد المستخدمة في الكاثود، مثل أكاسيد كوبالت الليثيوم أو فوسفات حديد الليثيوم، ومواد الأنود، بما في ذلك الجرافيت والمركبات القائمة على السيليكون، لأبحاث مكثفة من أجل تحقيق الخصائص المثلى من حيث كفاءة الطاقة وكثافتها.
ويؤثر الإلكتروليت، وهو مكون أساسي لنقل الأيونات بين الكاثود والأنود، بشكل كبير على ديناميكيات الأيونات وبالتالي على الأداء العام للبطارية.
يعد تطوير إلكتروليتات مبتكرة تضمن نقل الأيونات بكفاءة وفي الوقت نفسه تزيد من الاستقرار الحراري والكيميائي للبطارية مجالاً رئيسيًا للبحث.
ويشمل ذلك التحقيق في كل من تركيبات الإلكتروليت السائل والصلب. يعد الفاصل، وهو طبقة مسامية دقيقة تفصل مكانياً بين الكاثود والأنود، أمراً حاسماً لمنع حدوث دوائر قصر داخلية.
وتعد نفاذية البطارية وسلامتها الميكانيكية أمرًا بالغ الأهمية لسلامة البطارية وطول عمرها. ويساعد تصميم الفاصل المتقدم على تحسين انتشار الأيونات ويقلل من خطر عدم الاستقرار الحراري.
تهدف أحدث الأساليب البحثية في تكنولوجيا البطاريات، مثل تطوير إلكتروليتات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم والكبريت، إلى دفع حدود تقنيات أيونات الليثيوم التقليدية.
وعلى النقيض من بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية، التي تستخدم إلكتروليتات سائلة، تتكون إلكتروليتات الحالة الصلبة من مادة صلبة يمكنها توصيل الأيونات.
تقضي هذه الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة على العديد من عيوب الإلكتروليتات السائلة، مثل خطر التسرب أو القابلية للاشتعال.
تشمل مزايا إلكتروليتات الحالة الصلبة ما يلي
1. زيادة كثافة الطاقة: باستخدام إلكتروليتات الحالة الصلبة، يمكن للبطارية تخزين المزيد من الطاقة في مساحة أصغر، مما يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى.
2. تحسين السلامة: عادةً ما تكون إلكتروليتات الحالة الصلبة غير قابلة للاشتعال وبالتالي تقلل من خطر نشوب حرائق البطاريات وهروبها الحراري.
3- عمر أطول: تقل احتمالية تدهور إلكتروليتات الحالة الصلبة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى عمر أطول للبطارية.
4- أوقات شحن أسرع: تتيح بعض إلكتروليتات الحالة الصلبة حركة أيونات أسرع، مما قد يؤدي إلى أوقات شحن أقصر للبطارية.
تحليل القطب السالب باستخدام المسعر بالمسح التفاضلي
يعتمد أداء بطاريات الليثيوم أيون وسلامتها إلى حد كبير على جودة وخصائص مكوناتها المادية.
وبالتالي فإن التوصيف الدقيق لهذه المكونات أمر بالغ الأهمية لجعل البطاريات أكثر كفاءة ومتانة وأماناً.
تلعب أجهزة القياس المتطورة دورًا رئيسيًا في عملية التحسين هذه.
يمكن تحليل الكاثود والأنود والفاصل والإلكتروليت بالتفصيل باستخدام مجموعة منتجات LINSEIS الواسعة وأجهزة مثل DSC أو المسعر أو المسعر الحراري أو الاقتران بمقياس الطيف الكتلي للحصول على معلومات مفصلة حول العمليات التي تحدث أثناء شحن مواد التخزين وتفريغها.
يتيح هذا الفهم التفصيلي إمكانية التحسين المستهدف لهذه المكونات، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من كفاءة البطاريات وعمرها التشغيلي وسلامتها.
- القطب السالب: يلعب القطب السالب دوراً محورياً في البطاريات، حيث أنه يحدد بشكل مباشر سعة الطاقة وبالتالي أداء البطارية. وهو القطب الموجب للبطارية وهو المكان الذي يتم فيه امتصاص الأيونات أثناء عملية التفريغ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة.
- التركيب المادي: تتكون الكاثودات الحديثة من مركبات مختلفة مثل أكسيد الليثيوم الكوبالت (LiCoO2) وفوسفات الليثيوم الحديد (LiFe-PO4) وأكسيد الليثيوم النيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) وغيرها.
- البنية البلورية: تلعب البنية البلورية لمادة الكاثود دوراً حاسماً في أداء البطارية. فهي تؤثر على حركة الأيونات داخل المادة وبالتالي سرعة الشحن والتفريغ.
- الثبات الكهروكيميائي: يعد الثبات الكهروكيميائي للكاثود أمرًا حاسمًا بالنسبة لعمر خدمة البطارية. فالمواد ذات الثبات الكهروكيميائي العالي تكون أقل عرضة لتفاعلات تقليل السعة أثناء دورة الشحن/التفريغ.
- الكيمياء السطحية: يمكن أن تؤثر كيمياء سطح مادة الكاثود على التفاعل مع الإلكتروليت وبالتالي تؤثر على أداء البطارية واستقرارها. يمكن أن يساعد تحسين كيمياء السطح في تحسين كثافة الطاقة واستقرار الدورة.
- التوصيل الحراريتُعد الموصلية الحرارية للكاثود في البطاريات أمرًا بالغ الأهمية للإدارة الحرارية لمنع ارتفاع درجة الحرارة ومخاطر السلامة المحتملة. تمكّن الموصلية الحرارية العالية من تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل بكفاءة، مما يحافظ على استقرار درجة الحرارة وتجنب ارتفاع درجة الحرارة غير المنضبط، مثل الهروب الحراري. لذلك، يعد اختيار مواد الكاثود والهياكل ذات الموصلية الحرارية الجيدة أمرًا بالغ الأهمية لأداء أنظمة البطاريات وسلامتها.
تحليل TGA لفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) لتوصيف الكاثود
مثال صارخ على استخدام TGA هو دراسة فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، وهي مادة كاثود مستخدمة على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم أيون.
يُعرف LiFeFePO4 بثباته الحراري العالي وسلامته. في تحليل TGA، يتم تسخين عينة من LiFeFePO4 بطريقة مضبوطة لتقييم ثباتها الحراري وتكوينها.
أثناء عملية التسخين، يتم قياس التغيرات في وزن العينة بدقة من أجل الحصول على معلومات حول عمليات التحلل الحراري. هذه البيانات ضرورية لفهم الخصائص الحرارية للمادة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة للتطبيقات في مجالات مثل التنقل الكهربائي أو تخزين الطاقة الثابتة.
توفر نتائج TGA رؤى مهمة حول استقرار مادة الكاثود في ظل ظروف التشغيل. على سبيل المثال، من خلال تحليل درجات حرارة تحلل LiFeFePO4 يمكن استخلاص استنتاجات حول عمر الخدمة وسلامة البطارية في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
وهذا يتيح التحسين المستهدف لتكوين المواد وتصميم الخلية من أجل تحسين الأداء العام وسلامة البطارية. وبالتالي، فإن التوصيف الدقيق لمواد الكاثود باستخدام التحليل الحراري الوزني هو خطوة لا غنى عنها نحو زيادة أداء وسلامة بطاريات الليثيوم أيون. وتساهم هذه التحليلات بشكل كبير في زيادة تطوير هذه التقنية الرئيسية وتحسينها.
- الأنود: في البطاريات، يعمل الأنود كقطب سالب وهو مسؤول إلى حد كبير عن سرعة الشحن وسعة البطارية. أثناء عملية الشحن، يتم تخزين الأيونات من المهبط في الأنود، حيث يلعب الأنود دوراً رئيسياً في تخزين وإطلاق هذه الأيونات.
- اختيار المواد: تقليدياً، يُستخدم الجرافيت كمادة أنود نظراً لقدرته على تخزين الأيونات بكفاءة. ومع ذلك، تستكشف الأبحاث الحديثة مواد بديلة مثل السيليكون وتيتانات الليثيوم ومختلف المواد النانوية الكربونية التي يمكن أن توفر سعة أعلى وسرعات شحن أسرع.
- البنية السطحية والمسامية: تُعد البنية المجهرية والمسامية لمواد الأنودات ضرورية لتخزين الأيونات. وتتيح البنية المحسّنة إمكانية التنقل الفعال للأيونات وتساهم في زيادة قدرة الشحن.
- الثبات الكهروكيميائي: يعد ثبات مواد الأنود أثناء دورات الشحن/التفريغ ضرورياً للعمر التشغيلي للبطارية. تعمل المواد المقاومة للتدهور الكهروكيميائي على تحسين استقرار دورة البطارية.
- التفاعل مع الإلكتروليت: يؤثر التفاعل الكيميائي بين مادة الأنود والإلكتروليت على أداء البطارية. ويقلل التوافق الأمثل من التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها التي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض السعة.
تحليل STA لمواد أنود الغرافيت
مثال ملموس على تطبيق STA هو دراسة مواد أنود الجرافيت. وغالبًا ما يستخدم الجرافيت في بطاريات أيونات الليثيوم وهو معروف بقدرته على تخزين أيونات الليثيوم بكفاءة.
في STA، تخضع مادة أنود الجرافيت للتحليل الحراري التفاضلي(DTA) وقياس الثقل الحراري (TGA) في نفس الوقت. ويوفر هذا التحليل المشترك معلومات قيمة حول التفاعلات الحرارية والتغيرات الكتلية للمادة أثناء التسخين.
يقيس مكون DTA التدفق الحراري لتحديد الأحداث الماصة للحرارة والطاردة للحرارة، بينما يسجل TGA فقدان وزن المادة، مما يسمح باستخلاص استنتاجات حول درجات حرارة التحلل وعملياته.
يمكن أن يوفر هذا التحليل الشامل معلومات مهمة حول استقرار مادة الأنود في ظل ظروف التشغيل المختلفة. على سبيل المثال، يتيح تحديد درجة الحرارة التي يبدأ عندها الجرافيت في التأكسد تحسين نظام إدارة البطارية من أجل تجنب ارتفاع درجة الحرارة وزيادة عمر البطارية.
وعلاوة على ذلك، من خلال تحليل التمدد والانكماش الحراري للجرافيت أثناء إقحام أيونات الليثيوم، يمكن اكتساب رؤى حول الاستقرار الهيكلي للمادة وتأثيره على استقرار الدورة.
إن إقحام أيونات الليثيوم في مادة أنود الجرافيت هي عملية يتم فيها ترسيب الليثيوم بين طبقات الجرافيت، مما يؤدي إلى تغير في الحجم. ويمكن تحديد هذا التغير في الحجم بدقة باستخدام قياس التمدد، وهي طريقة لقياس التغير في طول المواد كدالة لدرجة الحرارة.
مقياس التمدد هو جهاز القياس الذي يسجل التمدد والانكماش الحراري للجرافيت أثناء إقحام الليثيوم، وبالتالي يوفر نظرة ثاقبة على الاستقرار الهيكلي لمادة الأنود.
يعد استخدام التحليل الحراري المتزامن لتحليل مواد الأنود خطوة أساسية أيضًا نحو زيادة كفاءة بطاريات الليثيوم أيون وعمرها التشغيلي.
هذه التحليلات المتعمقة ضرورية لتطوير مواد محسنة لتلبية متطلبات تقنيات البطاريات الحديثة.
- الفاصل: في البطاريات، يؤدي الفاصل وظيفة سلامة حاسمة، خاصةً فيما يتعلق بخطر حدوث دوائر قصيرة وهروب حراري. وهو عبارة عن غشاء مسامي دقيق يوضع بين الكاثود والأنود لمنع التلامس المباشر وبالتالي حدوث دوائر كهربائية قصيرة بين الأقطاب. وفي الوقت نفسه، يتيح تدفق الأيونات بين الكاثود والأنود أثناء دورة الشحن والتفريغ.
- نفاذية الأيونات: يجب أن يكون للفاصل نفاذية أيون عالية لتمكين نقل الأيونات بكفاءة. وهذا أمر بالغ الأهمية للأداء العام للبطارية.
- الاستقرار الحراري والميكانيكي: يجب أن يكون الفاصل مستقرًا حراريًا وميكانيكيًا في ظل ظروف تشغيل البطارية. يمكن أن يؤدي عدم كفاية الثبات الحراري إلى ذوبان الفاصل وبالتالي حدوث ماس كهربائي، وهو ما يمثل خطرًا كبيرًا على السلامة.
- طلاءات السيراميك: غالبًا ما يتم طلاء الفواصل الحديثة بجزيئات السيراميك لتحسين الاستقرار الحراري. وتزيد هذه الطلاءات من سلامة الذوبان والمتانة الميكانيكية للفاصل، خاصةً في درجات الحرارة المرتفعة، مما يزيد بشكل كبير من سلامة البطارية. يمكن تحليل سلامة ذوبان فاصل البطارية باستخدام محلل ميكانيكي حراري (TMA) للتأكد من أن الفاصل لا يفشل أو يتمزق ميكانيكياً، مما قد يؤدي إلى هروب حراري للبطارية.
- طرق التحليل: تُستخدم طريقة القياس الكهروميكانيكية لتقييم خصائص الفواصل. يمكن أن توفر هذه الطرق معلومات عن التغير في حجم الفاصل في ظل ظروف تشغيل مختلفة وعن درجة الحرارة التي يبدأ عندها الفاصل في التعطل.
- الدور في منع الهروب الحراري: يعد الفاصل الفعال والآمن أمرًا بالغ الأهمية لتقليل مخاطر الهروب الحراري. يجب أن يحافظ على تأثير حاجز كافٍ حتى عندما تتعرض البطارية لدرجات حرارة قصوى.
قياس TMA للأغشية الفاصلة المغلفة
من الأمثلة ذات الصلة لتطبيق التحليل الميكانيكي الحراري (TMA) هو التحقيق في الأغشية الفاصلة المغلفة بجزيئات السيراميك. يمكن لهذا الطلاء أن يزيد بشكل كبير من سلامة البطاريات من خلال تحسين سلامة الانصهار والمتانة الميكانيكية للفاصل فوق نقطة الانصهار.
ينطوي التحليل الميكانيكي الحراري (TMA) لفواصل البطاريات في المقام الأول على قياس التفاعل الفيزيائي للمادة مع التغيرات المرتبطة بدرجة الحرارة. والمتغيرات الرئيسية التي يتم قياسها هنا هي التمدد أو الانكماش (الاستطالة أو الانكماش) للمادة الفاصلة كدالة لدرجة الحرارة.
يتضمن قياس TMA الجوانب التالية:
- قياس معاملات التمدد: يقيس TMA كيف يتغير الغشاء الفاصل فيزيائيًا في ظل ظروف درجة حرارة مضبوطة. ويشمل ذلك التمدد أو الانكماش الخطي للمادة مع تغيرات درجة الحرارة، مما يوفر معلومات حول معاملات التمدد الحراري.
- تقييم السلامة الميكانيكية: يتيح قياس استطالة أو انكماش الفاصل في درجات حرارة مختلفة تقييم سلامته الميكانيكية. وهذا أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تفاعل الفاصل في ظل الظروف الحرارية لتشغيل البطارية.
- تحديد درجة الانصهار: بالإضافة إلى التمدد، يمكن أيضًا استخدام TMA لتحديد درجة انصهار المادة الفاصلة. نقطة الانصهار هي درجة الحرارة الحرجة التي يبدأ عندها الفاصل في فقدان سلامته الهيكلية، مما قد يؤدي إلى مخاطر تتعلق بالسلامة.
- الإلكتروليت: في البطاريات، يعتبر الإلكتروليت عنصراً أساسياً ضرورياً لنقل الأيونات بين الكاثود والأنود. وفي الحالة الأكثر شيوعاً، يتكون من محلول ملح الليثيوم في مذيب عضوي ويتيح حركة أيونات الليثيوم أثناء عملية شحن البطارية وتفريغها.
- التوصيلية الأيونية: تُعد توصيلية الإلكتروليت أمرًا بالغ الأهمية لكفاءة نقل الأيونات بين الأقطاب الكهربائية. وتتيح الموصلية الأيونية العالية سرعة شحن البطارية وتفريغها وتحسن الأداء العام
- التركيب الكيميائي: يؤثر التركيب الكيميائي للإلكتروليت، ولا سيما نوع ملح الليثيوم والمذيب، على الخصائص الكهروكيميائية للبطارية. إن اختيار المكونات له تأثير مباشر على عوامل مثل جهد التشغيل واستقرار درجة الحرارة وسلامة البطارية.
- الثبات الكهروكيميائي: يجب أن يكون المنحل بالكهرباء مستقرًا كهروكيميائيًا لتجنب التحلل عند جهد تشغيل البطارية. يمكن أن تؤدي تركيبة المنحل بالكهرباء غير المستقرة إلى تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها تضعف أداء البطارية وعمرها التشغيلي.
- التفاعل مع مواد القطب الكهربائي: يعد تفاعل الإلكتروليت مع مواد القطب الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية لاستقرار البطارية على المدى الطويل. ويقلل التفاعل الأمثل من تكوين الطبقات السطحية الضارة على الأقطاب الكهربائية، والمعروفة باسم “الطور البيني للإلكتروليت الصلب” (SEI).
- الثبات الحراري: يعد الثبات الحراري للإلكتروليت الكهربائي للبطارية عاملاً حاسمًا يؤثر بشكل كبير على السلامة التشغيلية وأداء البطاريات. يضمن الثبات الحراري العالي للإلكتروليت الحفاظ على السلامة الكيميائية للإلكتروليت وبالتالي الحفاظ على التوصيلية الأيونية حتى مع زيادة درجات حرارة التشغيل أو الأحمال الحرارية الخارجية. ويتيح قياس الاستقرار الحراري، الذي يتم إجراؤه عادةً باستخدام مسعر المسح التفاضلي الديناميكي (DSC) أو تحليل قياس الثبات الحراري (TGA)، تحديد حدود درجة الحرارة التي يكون فيها الإلكتروليت مستقرًا ولا يطلق أي نواتج تحلل خطيرة. وهذا أمر ضروري لتقليل مخاطر السلامة مثل الهروب الحراري وضمان بيئة تشغيل آمنة للبطارية.
قياس TGA-MS للإلكتروليتات
ومن الأمثلة الملموسة على تطبيق TGA التحقيق في الاستقرار الحراري وتكوين الشوارد في بطاريات الليثيوم أيون.
في هذا القياس، يتم تعريض الإلكتروليت لزيادة مضبوطة في درجة الحرارة من أجل تحليل تحللها الحراري وفقدان الوزن الناتج عن ذلك.
هذه البيانات مفيدة بشكل خاص لفهم استقرار الإلكتروليت في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
على سبيل المثال، يمكن أن توفر درجة حرارة تحلل الإلكتروليت معلومات حول درجات الحرارة التي يمكن عندها تشغيل البطارية بأمان دون التعرض لخطر التحلل الحراري للإلكتروليت. التحلل الحراري للإلكتروليت هو عملية يتحلل فيها الإلكتروليت تحت تأثير درجات الحرارة العالية.
قد يكون هذا الأمر بالغ الأهمية لعدة أسباب:
1- درجة حرارة التحلل: يوفر تحديد درجة حرارة تحلل الإلكتروليت معلومات عن درجات الحرارة التي يمكن عندها تشغيل البطارية بأمان. درجة حرارة التحلل هي العتبة التي يبدأ عندها الإلكتروليت بالتغير الكيميائي والتحلل.
2. خطر التدهور الحراري: إذا تم تجاوز درجة حرارة التحلل، يمكن أن يصبح الإلكتروليت غير مستقر ويخضع لتفاعلات كيميائية تضعف أداء البطارية وسلامتها. ويمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى تكوين غازات وزيادة محتملة في الضغط داخل خلية البطارية.
3. التأثيرات على أداء البطارية: يمكن أن يؤدي التدهور الحراري للإلكتروليت إلى انخفاض التوصيل الأيوني وبالتالي انخفاض كفاءة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تدهور الإلكتروليت إلى تكوين نواتج ضارة تؤثر على أسطح الأقطاب الكهربائية.
4 جوانب السلامة: إن الاستقرار الحراري للإلكتروليت أمر بالغ الأهمية للسلامة العامة للبطارية. يمكن أن يزيد التدهور الحراري من خطر الهرب الحراري، خاصة إذا كان هناك تفاعل مع مكونات البطارية الأخرى.
وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام TGA-MS لتحديد تركيبة الإلكتروليت، بما في ذلك محتوى المذيبات والمواد المضافة الأخرى.
وتعد هذه المعلومات ضرورية لتحسين خصائص النقل الأيوني للإلكتروليت، والتي بدورها يمكن أن تؤثر إيجابًا على كفاءة البطارية وعمرها التشغيلي.
يوفر التوصيف الدقيق للإلكتروليت باستخدام تحليل قياس الثقل الحراري نتائج أساسية لتطوير بطاريات أكثر قوة وأمانًا. وتتيح البيانات التي تم الحصول عليها من هذه التحليلات إمكانية التحسين المستهدف لمكونات البطارية، مما يؤدي إلى تحسين الأداء العام للبطارية.
يساهم كل مكون من هذه المكونات بشكل كبير في الأداء الكلي لبطارية الليثيوم أيون وسلامتها. ويتيح التوصيف الدقيق بواسطة أجهزة القياس التي تنتجها شركة لينسيس إمكانية التحسين المستهدف لهذه المكونات، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من كفاءة البطاريات وعمرها التشغيلي وسلامتها.
الوقاية من الهروب الحراري – السلامة أولاً
يمكن أن يؤدي الهروب الحراري، وهو ارتفاع غير منضبط في درجة الحرارة في البطاريات، إلى مشاكل خطيرة تتعلق بالسلامة.
تعتبر أجهزة التحليل المستخدمة لفحص الثبات الحراري والميكانيكي لمواد البطاريات ضرورية لتقليل مخاطر مثل هذا الحدث. فهي توفر رؤى دقيقة حول الاستقرار الحراري لمواد البطاريات وتساعد على تحديد مصادر الخطر المحتملة.
يحدث الهروب الحراري عندما تصل درجة الحرارة داخل خلية البطارية إلى نقطة تكون فيها الحرارة المتولدة أكبر من الحرارة المنبعثة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى سلسلة من التفاعلات التي تدمر البطارية أو حتى تتسبب في حدوث حرائق. من المهم فهم أسباب الهروب الحراري واتخاذ التدابير المناسبة لتقليل المخاطر.
- الاكتشاف المبكر باستخدام DSC وTGA: يعد الاكتشاف المبكر للظروف التي يمكن أن تؤدي إلى الهروب الحراري أمرًا بالغ الأهمية. أدوات مثل مسعر المسح التفاضلي (DSC) وتحليل قياس الثقل الحراري (TGA) بيانات مهمة عن السلوك الحراري لمواد البطاريات. فهي تساعد على تحديد نطاقات درجات الحرارة الحرجة التي تصبح عندها المواد غير مستقرة.
- تحليل الأسباب: ينطوي تحليل أسباب الهروب الحراري على دراسة تركيبات المواد واستقرار الإلكتروليت وتفاعلات الخلية الداخلية. وتوفر هذه التحليلات رؤى قيمة لتحديد عوامل الخطر المحتملة ووضع التدابير المضادة المناسبة.
- تقييم السلامة: من خلال قياس توليد الحرارة وإدارة الحرارة، يمكن للأدوات تقييم معايير السلامة للبطاريات. وهذا مهم بشكل خاص في تطوير البطاريات للتطبيقات عالية الأداء مثل السيارات الكهربائية أو أنظمة تخزين الطاقة.
- تحسين المواد: تدعم نتائج التحليل اختيار وتطوير مواد أقل عرضة للهروب الحراري. ويساهم ذلك في تحسين السلامة العامة وتحسين تبديد الحرارة من خلية البطارية وموثوقية البطارية.
- تحسين الإلكتروليتات: يعد تحسين تركيبة الإلكتروليت جانبًا مهمًا آخر مدعومًا بأدوات دقيقة. يمكن أن تساعد التركيبة المحسّنة للإلكتروليت بناءً على البيانات التحليلية على زيادة الاستقرار الحراري داخل الخلية، مما يزيد بدوره من سلامة البطارية.
- تحسين تصميم الخلية: يتطلب تحسين تصميم الخلية لمنع الهروب الحراري إدارة حرارية متكاملة تعتمد على اختيار دقيق للمواد التي تنظم بكفاءة تبديد الحرارة وامتصاصها. وتُعد مواد الأنود والكاثود المختارة علميًا ذات الموصلية الحرارية العالية بالإضافة إلى الفواصل والإلكتروليتات المستقرة حراريًا ضرورية لتجنب توليد الحرارة المفرطة. وبالإضافة إلى ذلك، تساهم آليات التبريد المتقدمة ومواد العزل في توزيع الحرارة والعزل، مما يمنع السخونة الزائدة المحلية ويجعل درجة حرارة الخلية متجانسة. ويساهم تصميم الخلية المدروس جيداً الذي يأخذ هذه المكونات في الاعتبار بشكل كبير في زيادة سلامة البطارية وتقليل مخاطر الهروب الحراري.
- تدابير وقائية من خلال توصيف المواد: يعد تنفيذ التدابير الوقائية استناداً إلى نتائج التحليل خطوة حاسمة نحو تقليل مخاطر الهروب الحراري. ويشمل ذلك تحسين تصميم الخلية، وتحسين نظام إدارة البطارية وتطوير آليات السلامة.
الإدارة الحرارية – تقليل المخاطر والإدارة الحرارية المحسّنة لعمر خدمة أطول وكفاءة أعلى
يعد التنظيم الفعال لدرجة حرارة التشغيل عاملاً حاسماً لأداء البطاريات وطول عمرها الافتراضي. فهو يساعد على تقليل تدهور مكونات البطارية إلى الحد الأدنى وإطالة العمر التشغيلي الكلي.
لقد أثبتت بطاريات الليثيوم أيون نفسها كمعيار للإلكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى كثافة الطاقة العالية وثبات دورة الشحن.
تُعد درجة حرارة التشغيل أمرًا بالغ الأهمية لكفاءة هذه البطاريات وطول عمرها، حيث تتراوح درجة الحرارة المثلى بين 15 درجة مئوية و35 درجة مئوية تقريبًا.
تعمل درجات الحرارة التي تزيد عن هذا النطاق على تسريع التدهور الكيميائي، وتزيد من خطر الهروب الحراري ويمكن أن تؤدي إلى فقدان دائم للقدرة.
من ناحية أخرى، تؤدي درجات الحرارة المنخفضة جدًا إلى إضعاف انتشار الأيونات وزيادة المقاومة الداخلية، مما يقلل من أداء البطارية ويزيد من خطر تصفيح الليثيوم أثناء الشحن.
لذلك يعد الحفاظ على درجة حرارة تشغيل مناسبة أمرًا ضروريًا لضمان أقصى أداء للبطارية وسلامتها وعمرها التشغيلي.
تُعد طرق الإدارة الحرارية المختلفة، مثل التبريد النشط أو التبريد السائل غير المباشر، ضرورية للحفاظ على درجة حرارة التشغيل في النطاق الأمثل وبالتالي ضمان أداء بطاريات الليثيوم أيون وسلامتها.
تعقيد الإدارة الحرارية في تقنيات البطاريات
- تلعب الإدارة الحرارية في أنظمة البطاريات الحديثة دورًا حاسمًا في الأداء والسلامة وعمر الخدمة. وهي تتضمن التنظيم الدقيق لظروف درجة الحرارة الداخلية لضمان الأداء الوظيفي الأمثل.
- يمكن أن تؤدي الزيادة غير المنضبطة في درجة الحرارة إلى تلف لا يمكن إصلاحه بسبب التدهور الكيميائي، في حين أن درجات الحرارة المنخفضة للغاية يمكن أن تضعف التوصيل الأيوني وبالتالي أداء البطارية.
- لا تضمن الإدارة الحرارية المتوازنة الكفاءة فحسب، بل تضمن أيضًا طول عمر البطاريات وسلامتها، خاصة في التطبيقات عالية الأداء مثل السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.
الأدوات التحليلية لخصائص انتقال الحرارة
- تُستخدم الأدوات التحليلية المتقدمة لتحليل الخصائص الحرارية لمواد البطاريات. جهاز تحليل وميض الليزر (LFA)، وجهاز الجسر الساخن العابر (THB) وجهاز التسخين الدوري بالليزر (PLH).
- يتيح جهاز LFA قياس التوصيل الحراري والانتشارية الحرارية، وهما أمران حاسمان لانتقال الحرارة داخل مكونات البطارية.
- يعمل الجسر الساخن العابر (THB L56) على توسيع نطاق التحليل الحراري من خلال قياس التوصيل الحراري والمقاومة الحرارية لمواد البطارية في ظل ظروف التشغيل الحقيقية.
- يعد التسخين الدوري بالليزر (PLH L53) طريقة مبتكرة للتوصيف السريع والدقيق للتوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية. وهي ضرورية للتحليل الحراري الدقيق ولتطوير مواد البطاريات ذات الخصائص الحرارية الفائقة.
أهمية جهاز اختبار TIM (TIM L58) لنقل الحرارة بكفاءة
- إن جهاز اختبار مواد الواجهة الحرارية (TIM) (TIM L58) متخصص في تقييم المواد المستخدمة في الواجهات بين خلايا البطارية ومكونات التبريد. ويمكنه أيضًا قياس المعاوقة الحرارية، مما يجعل من الممكن تحسين الإدارة الحرارية لصفائف الخلايا.
- فهو يقيس بدقة التوصيل الحراري والمقاومة الحرارية لهذه المواد لضمان النقل الأمثل للحرارة من البطاريات إلى المبيت أو المشتت الحراري.
- تعتبر المواد الفعالة للواجهة، التي تم تحديدها وتحسينها بواسطة جهاز اختبار TIM، ضرورية لمنع ارتفاع درجة حرارة الخلايا وتساهم بشكل كبير في تحسين الأداء العام للبطارية.
تصور وتفسير البيانات الحرارية
- يتيح تصور البيانات التي تم الحصول عليها من هذه التحليلات تفسيرًا متعمقًا للخصائص الحرارية لمواد البطارية.
- توفر المخططات البيانية التي توضح الموصلية الحرارية أو السعة الحرارية النوعية على نطاقات درجات الحرارة المختلفة رؤى شاملة حول الإدارة الحرارية للبطاريات.
تُعد الإدارة الحرارية الفعالة، المدعومة بقياسات وتحليلات دقيقة من أجهزة Linseis، ضرورية لزيادة أداء البطاريات الحديثة وسلامتها وعمرها الافتراضي.
من خلال الابتكار المستمر في هذا المجال، نساعد في زيادة تحسين موثوقية وكفاءة تكنولوجيا البطاريات.
يوضح الشكل قياسًا أجريت فيه اختبارات بطارية LFA على مادة كاثود أيون الصوديوم. يصل الانتشار الحراري والتوصيل الحراري إلى الحد الأقصى عند 90 درجة مئوية تقريبًا ثم ينخفضان بشكل حاد نسبيًا.
الاستقرار الحراري – عامل رئيسي للبطاريات الموثوقة
يعد الاستقرار الحراري لمواد البطاريات عاملاً حاسمًا لسلامة بطاريات الليثيوم أيون وموثوقيتها. وتلعب معدات القياس الحديثة من لينسيس دورًا محوريًا في تقييم هذه الخاصية المهمة وتحسينها.
تُعد القدرة على التقييم الدقيق للاستقرار الحراري لمواد البطاريات أمرًا بالغ الأهمية لضمان تلبية البطاريات الحديثة لمتطلبات السلامة والأداء العالية. وتوفر أجهزة القياس من لينسيس الدقة والموثوقية اللازمتين لتقييم هذه الخاصية المهمة بشكل شامل.
يوضح الشكل أدناه منحنى قياس DSC لإلكتروليت صلب من السيراميك يستخدم في بطاريات الحالة الصلبة ويتيح بطاريات عالية الطاقة أكثر أمانًا. يلزم إجراء معالجة حرارية بدرجة حرارة عالية لربط الإلكتروليت والأقطاب والمكونات الأخرى مثل مجمعات التيار.
توصيف الجهاز – الدقة في أبحاث البطاريات باستخدام مسعر البطارية
مسعر البطارية هو جهاز لقياس الحرارة الناتجة عن البطارية أثناء الشحن والتفريغ. يُعرف هذا القياس باسم “حرارة التفاعل” وهو مؤشر مهم لأداء البطارية. إن حرارة التفاعل هي الفرق بين المحتوى الحراري (المحتوى الحراري) للمواد المتفاعلة ونواتج التفاعل الكيميائي.
تُستخدم مسعرات البطاريات في البحث والتطوير لتقييم كيمياء البطاريات الجديدة وتحسين تصميم البطاريات الحالية. كما أنها تستخدم في عملية التصنيع للتأكد من أن البطاريات تفي بمعايير الأداء والسلامة.
بالنسبة للمراقبة الحرارية للبطاريات، تقدم لينسيس مسعرًا معياريًا مسعر معياري معياري (IBC L91) متاح. وهو يتكون من عدد متغير من المكونات المتماثلة تقريبًا ويتيح تحليل مجموعة واسعة من أحجام خلايا البطاريات. كما أن هندسة الوحدات قابلة للتطوير بسهولة.
أهمية مسعر البطارية: يقيس مسعر البطارية كمية الحرارة المتولدة أثناء التفاعلات الكهروكيميائية داخل البطارية. وهذه القياسات ضرورية لفهم وتحسين السلوك الحراري للبطاريات وكفاءتها.
مجالات التطبيق: تعتبر هذه الأجهزة مهمة بشكل خاص لتطوير أنواع جديدة من البطاريات، مثل بطاريات الليثيوم أيون، حيث يكون الاستقرار الحراري والسلامة ذات أهمية قصوى. كما أنها تستخدم في مراقبة الجودة واختبار أداء البطاريات.
التحليل الحراري والسلامة: من خلال تحليل تطور الحرارة في ظل ظروف تشغيل مختلفة، تساعد أجهزة قياس المسعرات الحرارية للبطاريات على تحديد مخاطر السلامة المحتملة مثل الهروب الحراري ومنعها. وهذا أمر بالغ الأهمية لسلامة منتجات المستخدم النهائي.
تحسين أداء البطارية: يتيح القياس الدقيق لتوليد الحرارة تحسين الكيمياء الداخلية للبطارية وتصميمها، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة وتحسين قدرة الشحن وإطالة عمر الخدمة.
البحث والتطوير: تُستخدم مسعرات البطاريات في مختبرات البحث والتطوير لاختبار وتقييم المواد والتقنيات الجديدة. وتعتبر النتائج الناتجة ضرورية للتقدم في تكنولوجيا البطاريات.
تم تطويره بالاشتراك مع المكتب الاتحادي للتقنيات الفيزيائية:
