وينخفض نطاق السيارات الكهربائية إلى النصف في فصل الشتاء، ويثير الشحن في الصيف مخاوف تتعلق بالسلامة؛ لن يتم شحن البطاريات في درجات حرارة منخفضة، وتنخفض السعة بشكل ملحوظ بعد التعرض لدرجات حرارة عالية-إن الطبيعة "الحساسة" لبطاريات الليثيوم، وهي مصدر الطاقة الأساسي لمركبات الطاقة الجديدة والروبوتات والمنتجات الرقمية، معروفة على نطاق واسع. في الواقع، تعد درجة الحرارة متغيرًا رئيسيًا يؤثر على أداء بطارية الليثيوم، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بكل شيء بدءًا من السعة الإنتاجية وعمر الدورة وحتى استقرار السلامة وكفاءة الشحن/التفريغ. ستستخدم شركة Battery Pioneer، باعتبارها خبيرة في مجال البطاريات، لغة بسيطة وبيانات صلبة لتحليل التأثير الأساسي لدرجة الحرارة على بطاريات الليثيوم وتقديم دليل لتجنب المخاطر الشائعة في الاستخدام اليومي.
1. الفهم أولاً: "منطقة الراحة" لبطاريات الليثيوم هي 20-30 درجة فقط
تشبه بطاريات الليثيوم "زهور الدفيئة"، فهي حساسة للغاية لدرجة الحرارة. تعتقد الصناعة عمومًا أن نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل هو 20 درجة ~ 30 درجة (أي درجة حرارة الغرفة)، حيث تحقق البطارية أفضل توازن بين السعة والعمر الافتراضي والسلامة.
من منظور السعة، تصل بطاريات الليثيوم إلى 100% من السعة القابلة للاستخدام عند 25 درجة، وهو ما يمثل ذروة الأداء. ومع انحراف درجة الحرارة عن هذا النطاق المريح، تتقلب السعة بشكل كبير:
آسي-BCT506-512Hجهاز قياس سعة البطارية 18650يستخدم أجهزة المراقبة والتحكم الإلكترونية الحديثة بدلاً من العمل اليدوي لمراقبة الجهد الكهربي والتيار والسعة والطاقة وحالة التكوين والمعلمات الأخرى لتشكيل البطارية الموزعة في الوقت الفعلي، وتشخيص الأخطاء ومعالجتها وتسجيل البيانات ذات الصلة وتحليلها، وذلك لتحقيق المعالجة غير المراقبة والمعالجة المجمعة في عملية التكوين، وبرنامج التحكم بالكمبيوتر للمراقبة المركزية وصيانة المعدات.
أقل من 0 درجة:وتنخفض القدرة القابلة للاستخدام إلى 85%؛ عند -10 درجة، يبقى 70% فقط؛ عند -30 درجة، يتجاوز فقدان السعة النصف؛ وعند -40 درجة، تكون أقل من 50% من درجة حرارة الغرفة.
فوق 45 درجة:في حين أنه قد يؤدي إلى إطالة وقت التفريغ على المدى القصير، إلا أنه يسرع من شيخوخة البطارية على المدى الطويل. يؤدي الشحن فوق 50 درجة إلى تسريع تآكل الإلكتروليت بشكل كبير وشيخوخة الغلاف.
المنطق الأساسي وراء ذلك هو أن شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم هو في الأساس "هجرة" أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. تعيق درجات الحرارة العالية أو المنخفضة بشكل مفرط هذه "الحركة"-تمنع درجات الحرارة المنخفضة أيونات الليثيوم من "التحرك" بشكل فعال، بينما تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في "عملها بطريقة غير منتظمة"، مما يؤدي في النهاية إلى ضعف أداء البطارية.
ثانيا. تأثير درجات الحرارة المنخفضة على البطاريات
إن تأثير درجات الحرارة المنخفضة على بطاريات الليثيوم أكثر تعقيدًا بكثير مما نتصور: فهو لا يتعلق فقط بالمدى الأقصر، ولكن يمكن أن يسبب أيضًا ضررًا دائمًا.
1. ثلاث قضايا أساسية في درجات الحرارة المنخفضة
انخفاض القدرة العكسية:في درجات الحرارة المنخفضة، تزداد لزوجة الإلكتروليت وتنخفض الموصلية، تمامًا مثل "النهر المتجمد". يتباطأ انتشار أيونات الليثيوم-، مما يجعل من الصعب عليها دمجها بنجاح في الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في السعة القابلة للاستخدام. ومع ذلك، فإن فقدان القدرة هذا قابل للعكس ويمكن استعادته عند العودة إلى درجة حرارة الغرفة. على سبيل المثال، قد يكون مدى السيارة الكهربائية أقصر في الشتاء، لكنه يمكن أن يعود إلى طبيعته عندما ترتفع درجات الحرارة في الربيع.
قوة الشحن والتفريغ المحدودة:كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت المعاوقة الداخلية (المقاومة) للبطارية. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من -10 درجة، ترتفع المعاوقة البينية بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة بسرعة. بعد -20 درجة، ترتفع أيضًا مقاومة الإلكتروليت بشكل حاد، مما يتسبب في انخفاض قدرة تفريغ البطارية وعدم القدرة على إخراج طاقة عالية. ويتجلى ذلك في التسارع البطيء في السيارات الكهربائية والحركات البطيئة في الروبوتات.
الضرر الدائم الناتج عن انخفاض درجة حرارة-الشحن:وهذا هو الخطر الأكثر إثارة للقلق! عند الشحن في درجات حرارة منخفضة (خاصة أقل من 0 درجة)، لا يمكن لأيونات الليثيوم أن تندمج في أنود الجرافيت في الوقت المناسب وسوف تترسب على سطح القطب، وتشكل تشعبات الليثيوم المعدنية. تستهلك هذه البلورات "الشبيهة بالشجرة" أيونات الليثيوم النشطة، مما يتسبب في فقدان دائم للقدرة. والأخطر من ذلك هو أن شجيرات الليثيوم قد تثقب فاصل البطارية، مما يتسبب في حدوث دوائر قصيرة وحرائق.
(العلاقة بين سعة البطارية وموصلية الإلكتروليت عند درجات حرارة مختلفة)
(مستويات مقاومة الأجزاء المختلفة داخل البطارية عند درجات حرارة مختلفة)
2. إرشادات استخدام درجة الحرارة المنخفضة-
- "الإحماء-" قبل الشحن: قبل الشحن في الخارج في الشتاء، قم بإيقاف السيارات الكهربائية أو الروبوتات في الداخل لمدة 30 دقيقة للتسخين المسبق حتى ترتفع درجة حرارة البطارية فوق 0 درجة قبل الشحن؛
- تجنب -تفريغ الطاقة العالي في درجات الحرارة المنخفضة: في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة-، تجنب التسارع السريع المتكرر والتشغيل الثقيل- لتقليل حمل البطارية؛
- لا تجبر على الشحن في درجات حرارة منخفضة: إذا كان الجهاز يعرض رسالة "لا يمكن الشحن في درجات حرارة منخفضة"، فلا تجبر على الشحن، وإلا فقد يتسبب ذلك في ضرر لا يمكن إصلاحه.
ثالثا. ارتفاع درجات الحرارة في البطاريات
بالمقارنة مع "التآكل البطيء" الناتج عن درجات الحرارة المنخفضة، تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في حدوث أضرار مفاجئة وشديدة لبطاريات الليثيوم-لا يؤدي ذلك إلى تقصير عمرها الافتراضي بشكل كبير فحسب، بل من المحتمل أيضًا أن تؤدي إلى وقوع حوادث تتعلق بالسلامة.
1. "التفاعل المتسلسل" المكون من 5 مراحل عند درجات حرارة عالية
تؤدي بطاريات الليثيوم، تحت درجات حرارة عالية، إلى سلسلة من التفاعلات الطاردة للحرارة الخطيرة، مثل تأثير الدومينو:
1. 90-120 الدرجة : يتحلل طبقة SEI ("الملابس الواقية" التي تحمي صفائح الليثيوم) الموجودة على سطح البطارية، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة؛
2. فوق 120 درجة: يفشل فيلم SEI، ويتفاعل الليثيوم المدمج في القطب السالب مباشرة مع المنحل بالكهرباء، ويطلق كمية كبيرة من الحرارة؛
3. فوق 200 درجة: يتحلل المنحل بالكهرباء تمامًا، ويتسارع معدل إطلاق الحرارة بشكل كبير؛
4. التفاعلات اللاحقة: تتحلل المادة النشطة للقطب الموجب وتطلق الأكسجين، الذي يتفاعل أيضًا مع المنحل بالكهرباء. في الوقت نفسه، يطلق الليثيوم والموثق المدمجان الحرارة أيضًا.
5. النتيجة النهائية: لا يمكن تبديد الحرارة في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى تسرب البطارية، والدخان، وفي الحالات الشديدة، الاحتراق والانفجار.
2. التأثير القاتل لدرجات الحرارة المرتفعة على عمر البطارية
تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع شيخوخة البطارية: التعرض لفترة طويلة لبيئات تزيد درجة حرارتها عن 40 درجة يؤدي إلى تقصير عمر دورة البطارية بشكل كبير. تشير الدراسات إلى أنه مقابل كل 10 درجات زيادة فوق 40 درجة، تنخفض دورة الحياة إلى النصف.
تقدم تجربة أجرتها شركة Saft الفرنسية مثالًا أكثر توضيحًا: بطارية أسطوانية سعة 2 أمبير تم تدويرها 26 مرة عند 85 درجة شهدت فقدانًا للقدرة بنسبة 7.5% وزيادة بنسبة 100% في المعاوقة؛ بينما عند 120 درجة لمدة 25 دورة، وصل فقدان القدرة إلى نسبة مذهلة بلغت 22%، وارتفعت المعاوقة بنسبة 1115%! عند درجات الحرارة المرتفعة، يتشكل المزيد من فيلم SEI على سطح القطب السالب، مما يستهلك أيونات الليثيوم النشطة بشكل مستمر.
في الوقت نفسه، يهاجر رابط القطب الموجب ويتم فقدانه، مما يمنع المواد النشطة من المشاركة في التفاعل بشكل صحيح، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في أداء البطارية.
(منحنى دورة البطارية تحت درجة حرارة عالية)
(المنحنى الذي يوضح الزيادة في مقاومة البطارية في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة)
3. إرشادات تجنب استخدام درجات الحرارة المرتفعة-
- تجنب أشعة الشمس المباشرة والبيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة-: لا تضع السيارات الكهربائية أو معدات البطاريات في ضوء الشمس المباشر. تأكد من التبريد المناسب في-ورش العمل ذات درجات الحرارة العالية والبيئات الخارجية المعرضة لأشعة الشمس المباشرة.
- التحكم في درجة حرارة الشحن: لا تشحن في البيئات التي تزيد عن 50 درجة. تجنب استخدام أجهزة أخرى في نفس الوقت أثناء الشحن (على سبيل المثال، القيادة أثناء الشحن، أو تشغيل الروبوت أثناء الشحن).
- تحسين تصميم تبديد الحرارة: يجب أن تكون مركبات الطاقة الجديدة والروبوتات الصناعية مجهزة بأنظمة فعالة لتبديد الحرارة لمنع تراكم درجات الحرارة المرتفعة-في مجموعة البطارية.
رابعا. "الضرر الخفي" لاختلاف درجات الحرارة
إلى جانب درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة، يعد اختلاف درجات الحرارة أيضًا "قاتلًا خفيًا" يمكن التغاضي عنه بسهولة، حيث ينقسم بشكل أساسي إلى حالتين: اختلاف درجة حرارة البطارية الداخلية (تجانس درجة الحرارة) واختلاف درجة الحرارة بين-الخلايا (اتساق درجة الحرارة).
1. مشاكل التفاعل المتسلسل الناتجة عن اختلاف درجات الحرارة
اختلاف درجة الحرارة الداخلية: يحدث غالبًا عند تسخين أو تبريد أحد الجانبين، مما يؤدي إلى تفاوت في المعاوقة الداخلية والتيار وتوليد الحرارة في البطارية، مما يؤدي إلى تسريع الشيخوخة الموضعية.
الفرق في درجة الحرارة بين-الخلايا: يحدث بسبب التخطيط غير المناسب لوحدة البطارية وتصميم الإدارة الحرارية، مما يؤدي إلى معدلات تدهور غير متناسقة بين الخلايا الفردية داخل حزمة البطارية. نظرًا لأن حزم البطاريات متصلة في سلسلة، فإن "تأثير الارتباط الأضعف" يكون واضحًا للغاية-فإن انخفاض أداء خلية واحدة يمكن أن يؤدي إلى انخفاض أداء حزمة البطارية بأكملها، مما يؤدي في النهاية إلى فشلها. والأخطر من ذلك هو "الحلقة المفرغة" التي تنشأ عن الاختلافات في درجات الحرارة: فالخلايا ذات درجات الحرارة المرتفعة تتقدم في العمر بشكل أسرع، وتولد المزيد من الحرارة، مما يزيد من اتساع الفرق في درجات الحرارة مع الخلايا الأخرى، مما يؤدي في النهاية إلى مخاطر على السلامة.
2. تقنيات التحكم في فرق درجات الحرارة
تحسين تصميم الإدارة الحرارية: تقليل الاختلافات في درجات الحرارة داخل مجموعة البطارية عن طريق الترتيب المنطقي لأنظمة تبريد الماء-والهواء-؛
تجنب ظروف التشغيل القاسية: يؤدي الشحن والتفريغ الحالي-العالي وتشغيل الأحمال الثقيلة-المطولة إلى تفاقم الاختلافات في درجات الحرارة، الأمر الذي يتطلب تحكمًا معقولًا في كثافة تشغيل المعدات؛
الفحص المنتظم: تتطلب المعدات الصناعية ومركبات الطاقة الجديدة فحصًا منتظمًا لدرجة حرارة كل خلية في حزمة البطارية لتحديد أي خلل ومعالجته على الفور.
V. الملخص: المبادئ الأساسية لإطالة عمر بطاريات الليثيوم
إن قدرة بطاريات الليثيوم على التكيف مع درجات الحرارة تشبه حاجة الجسم البشري لبيئته-فإن درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة بشكل مفرط تضر بأدائها الأمثل. للتأكد من أن البطارية قوية ومتينة، ركز على ثلاثة جوانب رئيسية:
1. الالتزام بحدود درجة الحرارة: حافظ على درجة حرارة الشحن بين 0 درجة و45 درجة، ودرجة حرارة التشغيل بين -20 درجة و60 درجة قدر الإمكان، مع تجنب الانحرافات الطويلة عن منطقة الراحة؛
2. تجنب ظروف التشغيل الخطرة: لا تجبر على الشحن عند درجات حرارة منخفضة، ولا تشحن مباشرة بعد التعرض لدرجات حرارة عالية، ولا تعمل تحت طاقة عالية وأحمال ثقيلة لفترات طويلة؛
3. التأكيد على الإدارة الحرارية: سواء بالنسبة للمنتجات الرقمية الاستهلاكية أو المعدات الصناعية، يعد التصميم الجيد لتبديد الحرارة/العزل أمرًا بالغ الأهمية لإطالة عمر البطارية.
معلومات عنا
آسي ذكيمتخصصة في توفير-حلول شاملة لخطوط التجميع شبه الأوتوماتيكية/الكاملة-شبه الأوتوماتيكية لحزم بطاريات الليثيوم المستخدمة في ESS، وUAV، وE-الدراجة، وE-السكوتر، والأدوات الكهربائية، والدراجات ذات العجلتين/الثلاث عجلات، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، نقدم مجموعة كاملة من معدات تجميع حزم البطاريات، مثل آلة تصنيف الخلايا، وآلة فرز البطارية، وآلة لصق الورق العازل، جهاز اختبار CCD، آلة لحام البقعة اليدوية/التلقائية، جهاز اختبار BMS، جهاز اختبار شامل للبطارية ونظام اختبار حزمة البطارية، إلخ.
