البطاريات لا تعمل بشكل جيد في البرد - يشرح أحد الباحثين في مجال البطاريات الكيمياء عند درجات الحرارة المنخفضة

تعتبر البطاريات القابلة لإعادة الشحن رائعة لتخزين الطاقة وتشغيل الأجهزة الإلكترونية من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية.ومع ذلك، في البيئات الباردة، قد يكون من الصعب شحنها وقد تشتعل فيها النيران.

أنا أستاذ في الهندسة الميكانيكية وكان مهتمًا بالبطاريات منذ الكلية.أنا الآن أقود أ مجموعة أبحاث البطارية في جامعة دريكسيل.

في العقد الماضي فقط، شاهدت انخفاض أسعار بطاريات الليثيوم أيون كسوق الإنتاج لقد نمت أكبر من ذلك بكثير.التوقعات المستقبلية تتوقع أن يصل السوق آلاف جيجاوات ساعة سنويا بحلول عام 2030, ، زيادة كبيرة.

لكن بطاريات الليثيوم أيون ليست مثالية – ويأتي هذا الارتفاع مصحوبًا بمخاطر، مثل ميلها إلى التباطؤ أثناء الطقس البارد وحتى اشتعال النيران.

خلف بطارية الليثيوم أيون

ال تخزين الطاقة الكهروكيميائية داخل البطاريات تعمل على تخزين الكهرباء على شكل أيونات.الأيونات هي ذرات ذات شحنة غير صفرية لأنها إما تحتوي على عدد كبير جدًا من الإلكترونات أو لا تحتوي على ما يكفي.

عند توصيل سيارتك الكهربائية أو هاتفك، الكهرباء التي يوفرها المنفذ يحرك هذه الأيونات من القطب الموجب للبطارية إلى القطب السالب لها.الأقطاب الكهربائية عبارة عن مواد صلبة موجودة في البطارية يمكنها تخزين الأيونات، وتحتوي جميع البطاريات على قطب كهربائي موجب وسالب.

تمر الإلكترونات عبر البطارية على شكل كهرباء.مع كل إلكترون يمر إلى قطب كهربائي واحد، يمر أيون الليثيوم أيضًا إلى نفس القطب.وهذا يضمن توازن الشحنات في البطارية.أثناء قيادة سيارتك، تعود الأيونات المخزنة في القطب السالب إلى القطب الموجب، ويعمل تدفق الكهرباء الناتج على تشغيل المحرك.

في حين أن بطاريات AA أو AAA يمكنها تشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، إلا أنه يمكن استخدامها مرة واحدة فقط ولا يمكن شحنها.يمكن لبطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن أن تعمل لآلاف دورات الشحن والتفريغ الكامل.وفي كل دورة، يمكنهم أيضًا تخزين كمية شحن أعلى بكثير من بطارية AA أو AAA.

وبما أن الليثيوم هو أخف المعادن، فهو يحتوي على نسبة عالية قدرة محددة, ، مما يعني أنه يمكنه تخزين أ كمية كبيرة من الشحن لكل وزن.وهذا هو السبب في أن بطاريات الليثيوم أيون مفيدة ليس فقط للإلكترونيات المحمولة ولكن أيضًا لتشغيل وسائل النقل ذات الوزن أو الحجم المحدود، مثل السيارات الكهربائية.

حرائق البطارية

ومع ذلك، فإن بطاريات الليثيوم أيون لها مخاطر لا توجد في بطاريات AA أو AAA.لسبب واحد، هم أكثر عرضة للاشتعال.على سبيل المثال، عدد حرائق بطارية الدراجة الكهربائية وقد ارتفع عدد التقارير عنها في مدينة نيويورك من 30 إلى ما يقرب من 300 في السنوات الخمس الماضية.

يمكن أن تتسبب العديد من المشكلات المختلفة في نشوب حريق في البطارية.يمكن أن تحتوي الخلايا سيئة التصنيع على عيوب، مثل الشوائب النادرة أو الجزيئات التي خلفتها عملية التصنيع، مما يزيد من خطر حدوث فشل داخلي.

يمكن أن يؤثر المناخ أيضًا على تشغيل البطارية. مبيعات السيارات الكهربائية وقد زادت في جميع أنحاء الولايات المتحدة، وخاصة في المناطق الباردة مثل الشمال الشرقي والغرب الأوسط، حيث يمكن أن تعيق درجات الحرارة شديدة البرودة أداء البطارية.

تحتوي البطاريات على سوائل تسمى الإلكتروليتات، وتسبب درجات الحرارة الباردة تدفق السوائل بشكل أبطأ.لذا، فإن الإلكتروليتات الموجودة في البطاريات تتباطأ وتزداد سماكة في البرد، مما يتسبب في تحرك أيونات الليثيوم بالداخل بشكل أبطأ.هذا التباطؤ يمكن أن يمنع أيونات الليثيوم من الدخول بشكل صحيح في الأقطاب الكهربائية.وبدلاً من ذلك، قد تترسب على سطح القطب الكهربائي وشكله معدن الليثيوم.

إذا ترسب الكثير من الليثيوم على سطح القطب الكهربائي أثناء الشحن، فقد يتسبب ذلك في حدوث ماس كهربائي داخلي.يمكن لهذه العملية إشعال حريق في البطارية.

صنع بطاريات أكثر أمانًا

مجموعتي البحثية, يدرس، إلى جانب كثيرين آخرين، كيفية صنع بطاريات تعمل بكفاءة أكبر في البرد.

على سبيل المثال، يستكشف الباحثون استبدال إلكتروليت البطارية المعتاد واستبداله بإلكتروليت بديل لا يتكاثف في درجات الحرارة الباردة.خيار محتمل آخر هو تسخين حزمة البطارية قبل الشحن بحيث تتم عملية الشحن في درجة حرارة أكثر دفئًا.

تقوم مجموعتي أيضًا بالتحقيق في أنواع جديدة من البطاريات بخلاف أيونات الليثيوم.يمكن أن تكون هذه أنواع البطاريات الأكثر استقرارًا في نطاقات درجات الحرارة الأوسع، أو الأنواع التي لا تستخدم حتى الإلكتروليتات السائلة على الإطلاق، أو البطاريات التي تستخدم الصوديوم بدلاً من الليثيوم. بطاريات أيون الصوديوم يمكن أن تعمل بشكل جيد وبتكلفة أقل، حيث أن الصوديوم مورد وفير للغاية.

بطاريات الحالة الصلبة استخدم إلكتروليتات صلبة غير قابلة للاشتعال، مما يقلل من خطر نشوب حريق.لكن هذه البطاريات لا تعمل بشكل جيد مثل بطاريات Li-ion، لذا سيتطلب الأمر المزيد من البحث لمعرفة ما إذا كانت هذه خيارًا جيدًا أم لا.

تعمل بطاريات الليثيوم أيون على تشغيل التقنيات التي يستخدمها الأشخاص في جميع أنحاء البلاد يوميًا، وتهدف الأبحاث في هذه المجالات إلى إيجاد حلول من شأنها أن تجعل هذه التكنولوجيا أكثر أمانًا للمستهلك.