ما هي العوامل التي تؤثر على سعة البطارية؟

مقدمة

يُعدّ عدم اتساق سعة خلايا بطاريات الليثيوم أحد العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى تدهور أداء البطارية ومخاطر السلامة المحتملة. تنشأ هذه الاختلافات من مصادر متعددة في جميع أنحاء البطارية. ' دورة حياة s — بما في ذلك عمليات التصنيع، وخصائص المواد، ومعايير التصميم، وظروف الاستخدام، والتأثيرات البيئية.

تقدم هذه المقالة تحليلاً منهجيًا للأسباب الرئيسية لاختلاف سعة خلايا بطارية الليثيوم وتقدم رؤى للمساعدة في تحسين الاتساق والموثوقية في إنتاج الخلايا وتكامل حزمة البطاريات.

I. عوامل عملية التصنيع

(1) طلاء وتقويم دي التغييرات

1. سمك الطلاء غير متساوٍ

يؤثر اختلاف سمك أو كثافة طلاء المواد النشطة في الكاثود والأنود بشكل مباشر على مساحة التفاعل الفعالة وكمية تداخل أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى اختلافات في سعة الخلية الواحدة. أثناء عملية الطلاء، قد يصبح سمك الطلاء غير متناسق بسبب تأثير دقة المعدات وسيولة الملاط.
على سبيل المثال، في المناطق التي يكون فيها الطلاء سميكًا جدًا، يصبح مسار تداخل أيونات الليثيوم وفصلها أطول، وينخفض معدل التفاعل، مما يؤثر على سعة الخلية. وعلى العكس، في المناطق التي يكون فيها الطلاء رقيقًا جدًا، تقل مساحة التفاعل الفعالة للقطب، مما يؤدي أيضًا إلى انخفاض السعة.

2. تقلبات كثافة التقويم

قد يؤدي الضغط المفرط إلى إتلاف بنية مادة القطب الكهربي (مثل كسر طبقة الجرافيت)، مما يقلل من كفاءة انتشار أيونات الليثيوم؛ ويؤدي الضغط غير الكافي إلى تقليل كمية المادة النشطة لكل وحدة حجم.
أثناء عملية الصقل، تؤثر تقلبات كثافة الضغط على مسامية القطب ومقاومته الداخلية. فعندما تكون كثافة الضغط مرتفعة جدًا، تنخفض مسامية مادة القطب، وتُسد قنوات انتشار أيونات الليثيوم، وتنخفض السعة. أما عندما تكون كثافة الضغط منخفضة جدًا، فينخفض محتوى المادة الفعالة لكل وحدة حجم، وتتأثر سعة الخلية أيضًا.

(2) عيوب ملء وختم الإلكتروليت

1. الاختلافات في المنحل بالكهرباء حجم الحقن

يؤدي حقن الإلكتروليت غير الكافي إلى عدم اكتمال الاتصال بين صفائح الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت، مما يؤثر على معدل نقل الأيونات ويسبب تدهور السعة.
الإلكتروليت هو وسيط نقل أيونات الليثيوم، ويؤثر حجم حقنه بشكل مباشر على أداء الخلية. إذا كانت كمية الإلكتروليت المحقونة غير كافية، تقل مساحة التلامس بين صفائح الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت، ويتباطأ توصيل الأيونات، وتنخفض السعة تدريجيًا.

2. ضعف أداء الختم

يؤدي دخول الرطوبة أو الشوائب إلى استهلاك أملاح الليثيوم في الإلكتروليت، وتدمير استقرار واجهة القطب، وتفاقم عدم تناسق السعة.
أثناء عملية الختم، إذا كان الإحكام غير كافٍ، فقد تدخل الرطوبة والشوائب الخارجية إلى الخلية وتتفاعل مع ملح الليثيوم في الإلكتروليت، مما يؤدي إلى استهلاكه وتقليل أدائه. في الوقت نفسه، تُلحق الرطوبة والشوائب الضرر أيضًا باستقرار واجهة القطب، مما يؤثر على تداخل أيونات الليثيوم وانفصالها، مما يُفاقم عدم اتساق السعة بين الخلايا.

(3) عدم الدقة الكافية في تصنيف الخلايا وفرزها

إذا لم تقم عملية تصنيف الخلايا باختيار الخلايا ذات المعلمات المتشابهة بشكل صارم مثل السعة والمقاومة الداخلية، فسيتم تشتيت الأداء الأولي للخلايا الفردية داخل مجموعة البطارية.
يُعدّ التصنيف خطوةً مهمةً في عملية إنتاج الخلايا. فمن خلال اختبار الشحن والتفريغ، يتمّ فرز الخلايا ذات السعة والمقاومة الداخلية المتشابهة ومطابقتها. إذا كانت دقة التصنيف غير كافية، وتمّ تجميع الخلايا ذات الاختلافات الكبيرة في هذه المعايير معًا، فسيكون أداء البطارية الناتجة غير متسق في البداية، مما قد يُسبب مشاكل في الشحن أو التفريغ الزائد أثناء الاستخدام، مما يؤثر على أداء البطارية وعمرها الافتراضي.

ملكنا آلة تصنيف سعة البطارية يتميز بالتحكم عالي الدقة في الشحن/التفريغ والفرز التلقائي، مما يضمن مطابقة السعة والمقاومة بشكل ثابت للحصول على أداء فائق للحزمة.

II. عوامل المواد والتصميم

(1) الاختلافات في أداء مادة القطب الكهربائي

1. مواد الكاثود

على سبيل المثال، في المواد الثلاثية ( المركز الوطني للقياس )، التقلبات في نسب النيكل والكوبالت والمنجنيز، أو اختلافات البنية البلورية في فوسفات الحديد الليثيوم ( رابطة كرة القدم الأمريكية )، يؤثر على قدرة إزالة التداخل بين أيونات الليثيوم.
تُعد مواد الكاثود أحد العوامل الرئيسية التي تُحدد سعة الخلية. فاختلاف أدائها يؤثر بشكل مباشر على سعة الخلية. في المواد الثلاثية، تُغير نسب النيكل والكوبالت والمنغنيز المختلفة البنية البلورية والخصائص الكهروكيميائية، مما يؤثر على إزالة تداخل أيونات الليثيوم. كما يؤدي اختلاف البنية البلورية لفوسفات حديد الليثيوم إلى اختلاف الخصائص الكهروكيميائية، مما يؤثر بدوره على سعة الخلية.

2. مواد الأنود

تؤدي نسب الخلط غير المتساوية بين المواد القائمة على الجرافيت والمواد القائمة على السيليكون أو الاختلافات في معامل التمدد لجزيئات السيليكون إلى معدلات مختلفة لتحلل السعة أثناء الدورة.
أثناء الشحن والتفريغ، تتمدد مواد الأنود وتنكمش. ويؤثر اختلاف أدائها على عمر الدورة واتساق السعة. على سبيل المثال، يؤدي الخلط غير المتساوي للمواد القائمة على الجرافيت والسيليكون إلى تمدد وانكماش غير متساويين، مما يؤثر على أداء الدورة. كما أن اختلاف معامل تمدد جسيمات السيليكون يُسبب درجات متفاوتة من الضرر الهيكلي لمادة الأنود أثناء الدورة، مما يؤدي إلى اختلاف معدلات تآكل السعة.

(2) قضايا مطابقة المواد والصياغة

1. ضعف التوافق بين واجهة الإلكتروليت والقطب الكهربائي

على سبيل المثال، قد تتسبب مذيبات الكمبيوتر في تقشير طبقة الجرافيت، أو نسبة غير مناسبة من مجلد / عامل موصل يقلل من استخدام المواد الفعالة.
يُعد التوافق بين واجهة الإلكتروليت والقطب الكهربائي عاملاً رئيسياً يؤثر على أداء الخلية. قد يؤدي ضعف التوافق إلى إتلاف بنية القطب الكهربائي، وإعاقة تداخل أيونات الليثيوم وفصلها، مما يقلل من استخدام المادة الفعالة. على سبيل المثال، يتميز مذيب البولي كربونات بثابت عزل كهربائي مرتفع ولزوجة منخفضة، ولكنه قد يتسبب في تقشر طبقة الجرافيت، مما يؤثر سلباً على أداء الأنود. كما أن عدم تناسب المادة الرابطة مع المادة الموصلة يُقلل من استخدام المادة الفعالة وقدرتها الاستيعابية.

2. هامش التصميم الهيكلي غير الكافي

إذا لم يتم الاحتفاظ بالقدرة الكافية في التصميم، فإن الخلايا ذات السعة المنخفضة ستفشل أولاً عندما تتراكم أخطاء التصنيع أثناء الدورة.
أثناء تصميم الخلايا، من الضروري مراعاة تحمّلات التصنيع وتراجع الأداء، مع الاحتفاظ بفائض كافٍ من السعة. فبدون هامش تصميم كافٍ، قد تصل الخلايا منخفضة السعة بسهولة إلى حدود الشحن الزائد أو التفريغ الزائد أثناء الدورة، مما يؤدي إلى تعطلها ويؤثر على الأداء العام للحزمة.

ثالثًا: عوامل الاستخدام والشيخوخة

(1) الاختلافات في آليات تدهور الدورة

1. ذوبان الكاثود وانهياره

يؤدي الشحن والتفريغ على المدى الطويل إلى إذابة أيونات المعادن الانتقالية، مما يحجب قنوات أيونات الليثيوم ويؤدي إلى فقدان السعة بشكل لا رجعة فيه.
أثناء الدورة، تحدث تغيرات هيكلية في مواد الكاثود، وقد تذوب أيونات المعادن الانتقالية في الإلكتروليت. قد تترسب هذه الأيونات على سطح الأنود، مما يسد قنوات أيونات الليثيوم ويقلل من كفاءة التداخل/إزالة التداخل، مما يؤدي إلى انخفاض غير قابل للعكس في السعة.

2. سماكة طبقة الأنود SEI

يؤدي تكرار الدورة إلى نمو طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) على سطح الأنود بشكل مستمر، مما يؤدي إلى استهلاك الليثيوم النشط وزيادة المقاومة الداخلية، وبالتالي تقليل السعة الفعالة.
يحمي فيلم SEI الأنود من المزيد من تقليل الإلكتروليت، ولكن مع استمرار الدورة، فإنه يزداد سمكًا، مما يؤدي إلى استهلاك الليثيوم النشط وزيادة المقاومة، وبالتالي خفض السعة الفعالة للخلية.

(2) طلاء الليثيوم وتفاعلات الجانب الواجهي

1. طلاء الليثيوم

يؤدي الشحن بدرجة حرارة منخفضة أو الشحن الزائد أو الشحن بتيار مرتفع إلى ترسب الليثيوم على سطح الأنود، مما يؤدي إلى استهلاك الليثيوم النشط وتسريع اضمحلال السعة.
في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، أو الشحن الزائد، أو التيار العالي، قد يتجاوز معدل تداخل أيونات الليثيوم على سطح الأنود معدل انتشارها، مما يؤدي إلى ترسب الليثيوم المعدني - وهو ما يُعرف بـ "طلاء الليثيوم". تستهلك هذه الظاهرة الليثيوم النشط، وتزيد من المقاومة الداخلية، وتقلل من كفاءة الشحن والتفريغ.

2. انسداد مسام الفاصل بواسطة منتجات تحلل الإلكتروليت

تُسدّ نواتج تحلل الإلكتروليتات (مثل LiF) مسام الفاصل، مما يُعيق نقل الأيونات. أثناء الدورة، يُنتج تحلل الإلكتروليتات نواتج ثانوية قد تُسدّ مسام الفاصل، مما يُعيق نقل الأيونات ويُقلل من أداء الخلية.

(3) تأثيرات سجل الاستخدام

الإفراط في التفريغ، والتخزين في درجات حرارة عالية، وغيرها من العمليات غير السليمة تُسرّع شيخوخة الخلايا. عند اختلاط الخلايا الجديدة والقديمة، تتسع فروق السعة بشكل ملحوظ.
يؤثر تاريخ استخدام الخلايا بشكل كبير على الأداء والسعة. فالتشغيل غير السليم، مثل الإفراط في التفريغ أو التخزين طويل الأمد في درجات حرارة عالية، يُسرّع من شيخوخة الخلايا وانخفاض سعتها. كما أن خلط الخلايا الجديدة والقديمة يُسبب اختلافات كبيرة في الأداء، مما يزيد من تفاوت السعة واحتمالية الشحن أو التفريغ الزائد، مما يُقلل من أداء العبوة وعمرها الافتراضي.

رابعًا: العوامل البيئية والخارجية

(1) التوزيع غير المتساوي لدرجة الحرارة

تختلف ظروف تبديد الحرارة للخلايا الموجودة على حواف ووسط العبوة. في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة، تتسارع عملية شيخوخة الخلايا (مثلاً، يزداد معدل تحلل الإلكتروليت)، وتنخفض السعة بشكل أسرع.
تُعد درجة الحرارة عاملاً حاسماً يؤثر على أداء الخلية. ففي حزمة البطارية، يؤدي التوزيع غير المتساوي لدرجة الحرارة، نتيجةً لاختلاف ظروف التبريد، إلى تدهور أسرع في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة.

(2) فروق معدل التفريغ الذاتي

تظهر الخلايا ذات معدلات التفريغ الذاتي المختلفة (على سبيل المثال، تلك التي تحتوي على نسبة شوائب أعلى) حالات شحن متباعدة (SOC) بعد تخزين طويل، مما يؤدي إلى اختلافات في السعة أثناء الشحن والتفريغ.
التفريغ الذاتي هو فقدان تلقائي للشحنة أثناء التخزين. اختلاف معدلات التفريغ الذاتي يُسبب تباعدًا في تركيز الكربون العضوي في البطارية (SOC)، مما يؤدي إلى اختلاف في سلوك السعة أثناء الاستخدام.

(3) فشل الإدارة الحرارية

عندما يكون تصميم التبريد غير كافٍ، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة المحلية إلى زيادة المقاومة الداخلية، وتقليل كفاءة الشحن/التفريغ، وخفض استخدام السعة.
تضمن الإدارة الحرارية تشغيل العبوة ضمن نطاق درجة حرارة مناسب. يؤدي عدم تبديد الحرارة بشكل كافٍ إلى ارتفاع درجة الحرارة محليًا، وزيادة المقاومة، وانخفاض الكفاءة، وانخفاض استغلال السعة.

الخامس. الخاتمة

اختلافات سعة الخلايا هي نتيجة للتأثيرات المشتركة لـ تقلبات عملية التصنيع (دقة الطلاء/الحقن)، خصائص المواد الجوهرية (أداء المادة الفعالة في القطب الكهربائي)، آليات الاستخدام والشيخوخة (مسارات تدهور الدورة)، و اختلال التوازن البيئي (درجة الحرارة/التفريغ الذاتي).
لتحسين اتساق سعة الخلية، يمكن اتباع الأساليب التالية:

1. تحسين اتساق التصنيع:

استخدم الدقة العالية آلة طلاء الأقطاب الكهربائية وعمليات فرز آلية لتحسين دقة الطلاء وحقن الإلكتروليت. تطابق دقيق للخلايا ذات السعة ومعايير المقاومة الداخلية المتشابهة.

2. تحسين المواد والتصميم:

تطوير إلكتروليتات الحالة الصلبة لقمع التفاعلات الجانبية، وتحسين توافق الإلكتروليت مع القطب الكهربائي، وتعزيز أداء مادة القطب الكهربائي.

3. تحسين أنظمة إدارة البطارية (BMS):

تطبيق تكنولوجيا الموازنة النشطة للتعويض عن اختلافات السعة، ومراقبة حالة كل خلية في الوقت الحقيقي، وضبط استراتيجيات الشحن / التفريغ على الفور لضمان أداء العبوة وسلامتها.

وفي الختام، فإن البحث المتعمق في أسباب اختلافات السعة في خلايا بطاريات الليثيوم وتنفيذ تدابير التحسين الفعالة له أهمية كبيرة لتعزيز أداء وسلامّة مجموعات البطاريات.