نمذجة تحليلية لنظام تبريد قائم على مواد تغير الطور لبطاريات أيون الليثيوم

لماذا تهم البطاريات الأبرد

تشغّل بطاريات أيون الليثيوم هواتفنا وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية، لكنها تواجه مشكلة بهدوء: تسخن. يمكن للحرارة الزائدة أن تقصّر عمر البطارية وفي الحالات القصوى أن تتسبب في فشل خطير. تبحث هذه الدراسة في طريقة ذكية لكبح تلك الحرارة باستخدام مواد خاصة تذوب وتمتص الطاقة، وتقدم طريقة سريعة على الورق للتنبؤ بمدى فاعلية مثل هذا التبريد قبل أن يبني المهندسون حزمة فعلية.

تخزين الطاقة وتبديد الحرارة

مع تحولنا بعيدًا عن الوقود الأحفوري، أصبحت البطاريات مركزية في تخزين الكهرباء النظيفة وتحريك المركبات. تُعد خلايا أيون الليثيوم جذابة لأنها تخزن طاقة كبيرة في حجم صغير ويمكن شحنها وتفريغها مرات عديدة. الجانب السلبي هو أن التفاعلات نفسها التي تمنح قدرة عالية تنتج أيضًا حرارة. إذا ارتفعت درجة الحرارة كثيرًا أو تباينت بشدة داخل الحزمة، تتسارع شيخوخة الخلايا وتفقد السعة، وتزداد احتمالية دخولها في هروب حراري، وهو التفاعل المتسلسل الذي قد يؤدي إلى حريق.

سترة شمعية حول كل خلية

إحدى الطرق الواعدة لتبريد البطاريات هي تغليف كل خلية بمادة تغير الطور، غالبًا مادة شمعية. عندما تسخن البطارية، يذوب هذا المبلغ ويمتص كميات كبيرة من الطاقة بينما يبقى قرب درجة حرارة واحدة، على غرار الجليد الذي يحافظ على برودة المشروب أثناء ذوبانه. أظهرت تجارب سابقة ومحاكاة حاسوبية أن مثل هذه الأغطية يمكن أن تبقي سطح البطاريات أبرد وأكثر تجانسًا، لكن حتى الآن كانت النظريات الخاصة بالخلايا الأسطوانية محدودة أو بطيئة التشغيل أو مبنية على تبسيطات كبيرة.

طريقة أسرع للتنبؤ بالحرارة داخل الخلايا الدائرية

طور المؤلفون نموذجًا تحليليًا، أي مجموعة معادلات يمكن حلها مباشرة بدلًا من المحاكاة العددية الثقيلة. قسموا المشكلة إلى جزأين مترابطين: الحرارة المولدة والمُنتقلة داخل البطارية الدائرية، والحرارة الممتصة والمنقولة في مادة تغير الطور المحيطة أثناء ذوبانها خارجًا من سطح الخلية. باستخدام أداة رياضية تسمى دالة جرين للخلية وتوسيع اضطرابي للمادة المذابة، يطابقون تدرجيًا درجة الحرارة وتدفق الحرارة عند الحدود المشتركة حتى تتفق الجانبان. هذا يعطي درجة الحرارة عند كل نصف قطر داخل الخلية وموقع جبهة الذوبان مع مرور الزمن.

ما الذي يتحكم في ارتفاع حرارة قلب البطارية

باستخدام المعادلات الجديدة، يختبر الباحثون كيف تشكل الخصائص المختلفة أداء التبريد. يؤكدون أن زيادة التوصيل الحراري لمادة تغير الطور يخفض درجة حرارة سطح البطارية ويساعد على نشر الحرارة، لكن ذلك حتى حد معين. تظل النقطة الأكثر سخونة في النظام هي قلب الخلية، وتستجيب هذه المنطقة بقوة أكبر لتوصيل البطارية نفسه: جعل الخلية توصل الحرارة أفضل يمكن أن يقلل من درجة حرارة الذروة في القلب بنحو ثلثيها في حالاتهم النموذجية. يزيد تخزين الحرارة الكامنة للمادة المذابة من تجانس درجات السطح، ومع ذلك يكون له تأثير نسبيًا صغيرًا على أحر منطقة داخلية عميقة في الخلية.

تصميم الحزم للطاقة والسلامة

يُظهر النموذج أيضًا كيف تؤدي دورات التفريغ السريعة والتيارات الأعلى إلى تسخين أسرع وذوبان أسرع للمادة المحيطة. من خلال تتبع مدى تقدم جبهة الذوبان، يمكن للمؤلفين تقدير سماكة طبقة مادة تغير الطور بحيث تكتمل ذوبانها تمامًا عند انتهاء أكثر تفريغ بطارية تطلبًا. يوازن هذا بين إبقاء درجات الحرارة ضمن نافذة آمنة وتجنب شمع إضافي يضيف وزنًا ويخفض السعة الإجمالية للطاقة. تختتم الدراسة بأنه بينما يعد تبريد مواد تغير الطور أداة سلبية فعالة، فإن فائدته الكاملة للخلايا الأسطوانية تتحقق فقط عندما تُصمم الخلايا نفسها لتسمح بخروج الحرارة بسهولة أكبر من قلوبها.

الاستشهاد: Farajollahi, A., Gheshlaghchaei, B.A., Jalalvand, M. et al. Analytical modeling of pcm-based cooling system for lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 14791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44226-9

الكلمات المفتاحية: بطاريات أيون الليثيوم, تبريد البطارية, مادة تغير الطور, إدارة حرارية, خلايا أسطوانية