الحفاظ على درجة حرارة تشغيل بطارية ليثيوم أيون 2170 في المناخات المتجمدة باستخدام التسخين المسبق وهيكل رغوة الألومينا كمادة ذات تغيير الطور

لماذا تشكل البطاريات الباردة مشكلة كبيرة

تعتمد السيارات الكهربائية وأجهزة الحاسوب المحمولة والبطاريات المنزلية جميعها على خلايا ليثيوم أيون التي تعمل بشكل أمثل ضمن نطاق درجة حرارة معتدل إلى حد ما. في وسط الشتاء القارس، تكافح هذه البطاريات للاستيقاظ، وتفقد المدى القابل للاستخدام، وقد تتقدم في العمر بشكل أسرع إذا استُخدمت بطريقة غير مناسبة. تبحث هذه الدراسة في كيفية إبقاء نوع شائع من الخلايا الأسطوانية، بطارية 2170، ضمن نطاقها المريح أثناء عمليات التشغيل الباردة القاسية، باستخدام مزيج ذكي من التسخين المسبق المعتدل وغلاف خاص لتخزين الحرارة.

الحفاظ على راحة حزم الطاقة

تفضل معظم بطاريات ليثيوم أيون العمل عند درجات حرارة تتراوح تقريباً بين 15 و35 درجة مئوية. أدنى من ذلك، تتباطأ التفاعلات الداخلية وتزداد المقاومة، مما يعني قدرة أقل وإجهاد أكبر أثناء الشحن. أعلى من ذلك، تتسارع الشيخوخة وقد تنشأ مشكلات تتعلق بالسلامة. يركز المؤلفون على ما يحدث عندما تبدأ خلية 2170 عند درجات تصل إلى سالب 40 درجة مئوية، وهو مستوى شائع في المناخات الشتوية القاسية، ويسألون كيف يمكن تدفئتها بسرعة ثم منعها من السخونة الزائدة عندما تبدأ بالعمل بقوة.

ستر لتخزين الحرارة حول الخلية

الحل المقترح يلف الخلية الأسطوانية في غلاف مستطيل مصنوع من رغوة ألومينا مسامية للغاية مشبعة بمادة شبيهة بالشمع تدعى هكسا ديكان. تذوب هذه المادة قرب 18 إلى 22 درجة مئوية، أي قريب جداً من نطاق التشغيل المثالي للبطارية. عندما ترتفع حرارة البطارية وتبدأ في توليد حرارة، تمتص الشمع هذه الطاقة أثناء انصهاره بدلاً من السماح لدرجة حرارة الخلية بالارتفاع المفاجئ. تعمل رغوة الألومينا، بموصليتها الحرارية العالية وبنيتها المتينة، على نشر الحرارة بسرعة عبر الغلاف، مما يسرع عملية الانصهار ويحمي الخلية ميكانيكياً في الوقت نفسه.

محاكاة عمليات تشغيل شتوية قاسية

لاختبار الفكرة بدون تجارب مكلفة وصعبة، أنشأ الباحثون نموذجاً حاسوبياً تفصيلياً لتدفق الحرارة والسوائل داخل الخلية وحولها وفي الغلاف. قاموا بمحاكاة سلوك النظام عند درجات حرارة محيطة من سالب 40 إلى 0 درجة مئوية وعند معدلات تفريغ مختلفة، من استخدام لطيف نسبياً (1C) إلى طلب عالٍ (4C). قبل كل تفريغ، يقوم مصدر تسخين خارجي بقدرة 20 واط بتسخين الخلية من نقطة التجمد إلى 15 درجة، لكي تبدأ التشغيل في نطاق أكثر أماناً. يتتبع النموذج متوسط ودرجات الحرارة القصوى للخلية، وكمية الشمع المنصهر، ومدى تساوي توزيع الحرارة، وكمية الطاقة التي يستهلكها المسخن المسبق.

كيف يشارك النظام الحرارة ويخزنها

تُظهر المحاكاة أن التسخين المسبق يرفع الخلية المتجمدة إلى 15 درجة بشكل موثوق خلال نحو 10 إلى 53 دقيقة تقريباً، اعتماداً على شدة الاستخدام اللاحق والبرودة المحيطة. بمجرد بدء التفريغ، عند مستويات طاقة منخفضة ومعتدلة يذوب طبقة الشمع تدريجياً وتحافظ على الخلية عند نحو 20 درجة تقريباً، مما يمنع تقلبات حادة في درجة الحرارة. عند طاقة أعلى، تسخن البطارية بسرعة أكبر وقد تذيب الشمع بالكامل قبل نهاية التفريغ، وبعد ذلك ترتفع درجات الحرارة لكنها تبقى أقل من نحو 42 درجة حتى في أقسى حالة محيطة درست. كما يحافظ الغلاف على اختلافات الحرارة داخل الخلية بمستويات معتدلة، محدداً البقع الساخنة التي قد تقصر العمر.

موازنة وقت التسخين واستهلاك الطاقة

سؤال عملي مهم هو مقدار الطاقة الإضافية التي يحتاجها المسخن المسبق. يبين النموذج أنه، في أبرد حالة عند سالب 40 درجة، يتطلب التفريغ منخفض القدرة (1C) أطول وقت تسخين وبالتالي أكبر قدر من الطاقة. مع ارتفاع معدل التفريغ، تساعد حرارة البطارية المهدرة في عملية التسخين، فيستطيع المسخن الخارجي الإطفاء مبكراً وينخفض استهلاك الطاقة بأكثر من النصف. في البرد الأخف، الأقرب إلى 0 درجة، يمكن للخلية غالباً الوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة إلى حد كبير عبر التسخين الذاتي، مما يقلل أكثر من الطلب على المسخن المسبق.

ماذا يعني هذا للمركبات الحقيقية

بشكل عام، يحافظ الجمع بين التسخين المسبق والغلاف المملوء برغوة الشمع على هذا النوع الشائع من البطاريات ضمن نطاق درجة حرارة آمن وفعال حتى في عمليات التشغيل الشتوية القاسية. يوفر طريقة إلى حد كبير سلبية لتلطيف ارتفاعات الحرارة والبقع الساخنة مع تقليل الطاقة الإضافية اللازمة لتدفئة الحزم المجمدة. بالنسبة للسائقين، قد يترجم ذلك إلى مدى أفضل في الطقس البارد، وجاهزية أسرع، وسلامة طويلة المدى محسنة. قبل أن تصل مثل هذه الأنظمة إلى الحزم التجارية، سيحتاج المهندسون إلى دراسة متانة مركب الرغوة والشمع على المدى الطويل وكيفية دمج الاستراتيجية بأفضل شكل مع إلكترونيات التحكم بالبطارية القائمة، لكن العمل يشير إلى مسار عملي لجعل بطاريات المركبات الكهربائية مقاومة لفصول الشتاء في الأجيال القادمة.

الاستشهاد: Alkhatib, O.J., Ali, A.B.M., Tursunzoda, F. et al. Maintaining a 2170 lithium-ion battery’s operating temperature in freezing climates using preheating and an alumina foam PCM structure. Sci Rep 16, 10330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40953-1

الكلمات المفتاحية: بطاريات ليثيوم أيون, المناخ البارد, إدارة حرارية, مواد تغيير الطور, المركبات الكهربائية