كيفية إعادة شحن بطارية الليثيوم بشكل صحيح

توفر بطاريات الليثيوم حلاً مثالياً للطاقة، حيث يتم شحنها بسرعة وتدوم لفترة أطول من تقنية بطاريات حمض الرصاص التقليدية. ومع ذلك، قد يؤدي الشحن غير السليم إلى تقصير عمرها الافتراضي بشكل كبير.

لا ينبغي شحن بطاريات الليثيوم بشكل خفيف حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلف خلاياها عن طريق طلاء معدن الليثيوم، مما قد يؤدي إلى تدميرها بالكامل. وبدلاً من ذلك يجب شحنها حتى تصل إلى مرحلة التشبع 1.

المنحل بالكهرباء

والإلكتروليتات هي السوائل المستخدمة لنقل التيار بين الأقطاب الكهربائية في بطاريات الليثيوم وقد تكون إما مائية أو عضوية قائمة على مذيبات مائية، حيث توفر الأولى كثافة طاقة أعلى ولكنها أكثر قابلية للاشتعال، بينما تميل الإلكتروليتات القائمة على مذيبات عضوية إلى انخفاض التقلب مع توفير أداء ضعيف؛ وتجري الأبحاث الحديثة لتحسين أداء الإلكتروليتات من أجل تحقيق مستويات أداء أعلى.

تتكون الإلكتروليتات عادةً من الليثيوم، ولكن يمكن أيضاً إضافة عناصر أخرى للتنوع. وترتبط أيوناتها بإحكام بالقطب الموجب والكاثود من خلال الإقحام؛ عندما ترتبط الأيونات المشحونة بالإلكترونات داخل المادة المضيفة لها من خلال هذه الطريقة. وعندما تفرغ البطارية من الشحن، تصبح أيوناتها حرة مرة أخرى لتنتقل عبر إلكتروليتاتها نحو الكاثود حيث تطلق هذه الإلكترونات التي تتدفق على طول الأسلاك الخارجية لاستخدامها كتيار.

توفر بطاريات الليثيوم أيون كثافة طاقة عالية وقابلة لإعادة الشحن عدة مرات. ونجدها اليوم في الهواتف والكاميرات الرقمية والحواسيب المحمولة؛ ومع ذلك، فإن بطاريات الليثيوم أيون هذه لها بعض العيوب الهامة، بما في ذلك عدم الاستقرار الحراري؛ على سبيل المثال إذا ارتفعت درجة حرارة الأنود يمكن أن ينتج الأكسجين القابل للاشتعال - وهذا ينطبق أيضاً على الكاثودات المتحللة التي تنتج الأكسجين كجزء من عملية تحللها.

يخطو الباحثون خطوات واسعة نحو تحسين أداء بطاريات الليثيوم من خلال البحث في الشوارد الجديدة. هناك فئتان عريضتان من الإلكتروليتات: الشوارد السائلة الأيونية والشوارد البوليمرية. تتكون الإلكتروليتات السائلة الأيونية من أملاح مذابة في مذيبات تختلف في التوصيلية وثبات الجهد الكهربي اعتمادًا على حجم مجموعات الكاتيونات ومجموعات الأثير المذابة داخلها، حيث تتميز الكاتيونات ومجموعات الأثير الأكبر حجمًا بلزوجات ونقاط انصهار أقل عمومًا من نظيراتها.

الأنود

يُعد الجرافيت مادة مثالية لاستخدامه كأنود في بطاريات الليثيوم نظرًا لمتطلبات الجهد المنخفض وقدراته على الأداء وكثافة الطاقة العالية وقدرته على إقحام أيونات الليثيوم - وهذا يسمح له بتخزين الشحنة الكهربائية. وتنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود أثناء عمليات الشحن قبل أن تعود مرة أخرى أثناء التفريغ لتوليد الكهرباء التي تشغل الأجهزة مثل الهواتف المحمولة أو السيارات.

يتطلب شحن بطاريات الليثيوم تطبيق مصدر كهربائي خارجي بجهد زائد. ويؤدي ذلك إلى تدفق الإلكترونات من الأنود الموجب (موجب الشحنة) نحو الكاثود السالب وتحريك أيونات الليثيوم بين هذين القطبين - الشحن الكهروكيميائي هو ما يعطي بطاريات الليثيوم مثل هذا الشحن الفعال.

يجب أن تكون مواد الأنود في بطاريات الليثيوم مصممة بعناية لتوفير سعة عالية مع دورة حياة طويلة. يجب أن يخزن الأنود كميات كبيرة من أيونات الليثيوم بأقل قدر من التمدد الحجمي، وفي الوقت نفسه يجب أن يكون موصلاً للكهرباء للسماح بمرور أيونات الليثيوم بسلاسة عبر الخلية.

وبالإضافة إلى كونها آمنة ومستدامة بيئيًا، يجب أن تكون مواد الأنودات أيضًا فعالة من حيث التكلفة للاستخدام وضمان عمليات سلسلة توريد موثوقة. وهذا هو السبب في تحول العديد من الشركات إلى المواد المعاد تدويرها للأنودات والكاثودات؛ وهذا لا يقلل فقط من متطلبات المواد الخام، بل يمكن أن يوفر تكاليف الإنتاج أيضًا!

في البداية، اعتُبر الليثيوم المعدني مادة الأنود المثالية لبطاريات الليثيوم بسبب قدرته العالية على توليد الطاقة النوعية ومخاوف السلامة. ولكن مع مرور الوقت، تحولت الأبحاث نحو مواد أكثر أمانًا مثل فحم الكوك والجرافيت التي توفر ثباتًا أكبر مع قدرة أقل - على الرغم من أن هذه المواد تسبب أيضًا مشاكل في تكوين التشعبات.

القطب السالب

الكاثودات هي الأقطاب السالبة في بطارية الليثيوم. عند الشحن، توفر دائرة خارجية الطاقة التي تجعل الإلكترونات تتحرك من الأقطاب الموجبة إلى السالبة وتطلق طاقة كيميائية على شكل أيونات ليثيوم تنتقل عبر إلكتروليت وتصبح جزءاً لا يتجزأ من الكاثود من خلال الإقحام، حيث تطلق شحنة كهربائية وتتحرك بحرية داخل الخلايا الخاصة بها.

تستخدم بطاريات الليثيوم أنواعًا مختلفة من الكاثودات للكاثودات. ويبقى LiCoO2 الذي يتميز بهيكله الإسبنيل المنغنيزي الذي يوفر معدلات تفريغ وإعادة شحن سريعة، الخيار الأكثر شيوعًا للكاثودات ولكن طاقته النوعية منخفضة وعمره أقصر مقارنة بالبدائل مثل كاثودات النيكل والمنغنيز والكوبالت والجرافيت.

عمل العلماء على زيادة كل من سعة وجهد LiCoO2 إلى جانب مواد كاثود أخرى. ويتضمن أحد الأساليب الجمع بين LiCoO2 ومواد أخرى مثل السيليكون الذي يمكن أن يمتص 10 أضعاف أيونات الليثيوم أكثر من شكله الأصلي؛ ومع ذلك، فإن الإدخال/الاستخراج المتكرر لأيونات الليثيوم+ داخل/خارج السيليكون قد يتسبب في تكوين واجهة إلكتروليت صلب غير مرغوب فيه، مما يقلل من سعة تخزين الشحنات واستقرار الكاثودات أثناء الدورات.

تتركز الجهود البحثية حالياً على ابتكار مادة كاثود ذات طاقة محددة أكبر من الجرافيت المستخدم في معظم بطاريات الليثيوم أيون. وتشمل البدائل المحتملة أسود الكربون والفلوروفوسفات والكربونات الصلبة - حتى أن بعض الشركات تستكشف استخدام الجرافين (صفيحة كربون بسماكة ذرة واحدة) لكل من الأنودات والكاثودات.

الفاصل

عند شحن البطاريات وتفريغها، يعمل الفاصل كغشاء رقيق بين الأقطاب الموجبة والسالبة، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور بحرية بين الأقطاب الموجبة والسالبة مع منع تكوين التشعبات التي يمكن أن تؤدي إلى حدوث ماس كهربائي أو إشعال الحرائق. علاوة على ذلك، يتطلب الحفاظ على جهد البطارية على مدى عمرها الافتراضي هذا الجزء الأساسي.

يجب أن تلبي فواصل بطاريات الليثيوم أيون بشكل مثالي عدة معايير لتحقيق الأداء الأمثل؛ مثل أن تكون رقيقة للغاية وقوية ميكانيكيًا وعازلة كهربائيًا مع السماح بالنقل الأيوني وامتصاص الإلكتروليت لتقليل المقاومة الداخلية للخلية. ومن الناحية العملية، غالبًا ما يكون من الصعب تحقيق هذا المعيار المثالي؛ ولمواجهة هذه الصعوبات تم استخدام الدراسات العددية لتحليل الخصائص المورفولوجية للفواصل.

لزيادة كثافة الطاقة في البطارية، من الضروري تقليل المقاومة الداخلية وتعزيز الأداء. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تغيير شكل الفاصل من خلال التعديل الكيميائي أو تعديل البنية السطحية أو التعديلات الهندسية.

تلعب الخصائص الحرارية للفواصل دورًا حاسمًا في سلامة البطارية، حيث يؤثر شكلها على استقرار الطور البيني وواجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI). علاوة على ذلك، يساعد ذلك على منع حدوث دوائر قصيرة بين أقطاب الأنود والكاثود وإطالة عمر البطارية.

يمكن إنجاز توصيف البطارية باستخدام مقياس متعدد أو راسم ذبذبات لتقييم سعة الشحن والتفريغ للبطارية. ويتم تحديد البطارية السليمة عندما تصل سعتها إلى 100% من سعتها المقدرة؛ ومع ذلك، قد يثبت أن هذا النهج غير دقيق عند تعرضها للاستخدام الكثيف؛ بالإضافة إلى أن الاعتماد فقط على الدورات لقياس السعة الصحية قد يبالغ في تقدير العمر الافتراضي.

نظام إدارة البطارية

تُعد أنظمة إدارة البطاريات (BMSs) من المكونات الأساسية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، حيث تضمن التشغيل الآمن ضمن حدود آمنة مع تحسين أدائها وعمرها الافتراضي. تلعب أنظمة إدارة البطاريات دوراً أساسياً في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة والإلكترونيات المحمولة - فضلاً عن كونها رصيداً لا يقدر بثمن للشركات التي تستخدم الطاقة الشمسية أو توليد الطاقة من الرياح لتحقيق وفورات في التكاليف أو خفض صافي الانبعاثات.

يجب أن تعمل خلايا بطارية الليثيوم أيون ضمن حدود جهد معينة لتقليل التلف وإطالة عمر الخلية. يقوم نظام إدارة البطارية بمراقبة هذه الخلايا لاكتشاف حالات الجهد الزائد والجهد المنخفض بالإضافة إلى موازنة الخلايا في سلاسل البطاريات متعددة الخلايا لتعويض الخلايا الأضعف التي تقصر عمر البطارية. يقوم نظام إدارة البطارية أيضاً بإدارة درجة الحرارة لضمان تحقيق نطاق تشغيل مثالي للبطارية (البطاريات).

إن السخونة الزائدة والشحن الزائد هما السببان الرئيسيان لتلف خلايا بطارية الليثيوم. عندما تسخن الخلايا بشكل مفرط، تحدث تفاعلات كيميائية تطلق غازات تتسرب منها، مما قد يؤدي إلى تلفها مع احتمال نشوب حريق. يمكن لنظام إدارة البطارية أن يكتشف مستويات الجهد الزائد ويوقف شحن الخلايا لتجنب مشاكل السخونة الزائدة.

يمكن أن تحمي أنظمة إدارة البطاريات أيضاً من الدوائر القصيرة الداخلية من خلال المراقبة المستمرة لكل خلية في حزمة البطارية ونقل هذه البيانات إلى وحدة تحكم مركزية. ويمكنها أيضاً التحكم في مراوح التبريد في السيارات الكهربائية للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للبطاريات.

يجب أن يشتمل نظام إدارة البطارية على خوارزمية تحكم في الملامس لمراقبة حالتها ومنع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد لخلايا البطارية، وتحديد أعطال الملامس وإيقاف مصادر الطاقة عند الحاجة. علاوة على ذلك، يجب أن يراقب مثل هذا النظام حالة الشحن الإجمالية (SoC) لتحديد متى قد تكون هناك حاجة لإعادة شحن البطارية أو استبدالها؛ ويمكن إجراء حسابات حالة الشحن الإجمالية من خلال إضافة جهد الخلية مع التيار الداخل أو الخارج من حزمة الخلايا.