שמירה על טמפרטורת תפעול של סוללת ליתיום-יון 2170 באקלים קפוא באמצעות חימום מוקדם ומבנה PCM מספוג אלומינה

מדוע סוללות קרות חשובות כל כך

מכוניות חשמליות, מחשבים ניידים וסוללות ביתיות מסתמכים על תאים ליתיום-יון שפועלים בצורה מיטבית בטווח טמפרטורות מתון יחסית. בחורף העמוק, עם זאת, סוללות אלו מתקשות להתעורר, מאבדות טווח שימושי ואפילו עלולות להזדקן מהר יותר אם משתמשים בהן בצורה לא נכונה. המחקר הזה בוחן כיצד לשמור על סוג תא גלילי נפוץ — סוללת 2170 — באזור הנוח שלה במהלך איתחולי קור קשים, על ידי שילוב חכם של חימום מקדים עדין ומעטפת מיוחדת המאחסנת חום.

שמירה על ארגזי אנרגיה בטמפרטורה מתאימה

רוב סוללות ליתיום-יון מעדיפות לפעול בטווח של בערך 15 עד 35 מעלות צלזיוס. מתחת לכך, התגובות הפנימיות מאטות וההתנגדות עולה, מה שמוביל להפחתת עוצמה ולמתח נוסף בזמן טעינה. מעל טמפרטורות אלה הן מזדקנות מהר יותר ועלולות להתקל בבעיות בטיחות. המחברים מתמקדים במה שקורה כאשר תא 2170 מתחיל בטמפרטורות נמוכות של עד מינוס 40 מעלות, רמה אופיינית לאקלים חורפי קשה, ושואלים כיצד לחמם אותו במהירות ואז למנוע התחממות יתר כאשר הוא מתחיל לעבוד בעומס גבוה.

מעיל מאחסנת חום סביב התא

הפתרון המוצע עוטף את התא הגלילי במארז מלבני העשוי קצף אלומינה חדיר במיוחד שספוג בחומר שעווה-דומה הנקרא הקסאדקאן. חומר זה נמס בסביבות 18–22 מעלות צלזיוס, קרוב מאוד לטווח התפעולי האידיאלי של הסוללה. כשהסוללה מתחממת ומתחילה לייצר חום, השעווה סופגת את האנרגיה הזו בתהליך ההתכה במקום לאפשר לטמפרטורת התא לעלות בצורה חדה. קצף האלומינה, עם מוליכות תרמית גבוהה ומבנה קשיח, מפזר חום במהירות דרך המעטפת, מאיץ את תהליך ההתכה ומגן על התא מבחינה מכאנית בו זמנית.

סימולציה של איתחולים חורפיים קיצוניים

כדי לבדוק את הרעיון בלי ניסויים יקרים וקשים, החוקרים בנו מודל מחשב מפורט של הזרימה התרמית והנוזלית בתוך ומסביב לסוללה ולמעטפת שלה. הם סימולו כיצד המערכת מתנהגת בטמפרטורות סביבתיות מ־40– ועד 0 מעלות צלזיוס ובקצב פריקה שונה, משימוש מתון יחסית (1C) ועד דרישה כבדה (4C). לפני כל פריקה, מקור חימום חיצוני בעוצמה של 20 וואט מחמם את התא מהנקודה הקפואה עד 15 מעלות, כדי שיוכל להתחיל לפעול באזור בטוח יותר. המודל עוקב אחרי טמפרטורת ממוצע ושיא של התא, כמה מהשעווה התכה, עד כמה החום מפוזר באופן אחיד וכמה אנרגיה צורכת המערכת המקדימה.

כיצד המערכת חולקת ומאחסנת חום

הסימולציות מראות כי החימום המקדים מביא באופן מהימן את התא הקפוא עד 15 מעלות בתוך כ־10 עד 53 דקות, תלוי בעומס שבו תשמש הסוללה ובכמה קרה הסביבה. ברגע שהפריקה מתחילה, בעוצמות נמוכות ובינוניות שכבת השעווה נמסה בהדרגה ושומרת על התא סביב כ־20 מעלות, ומונעת תנודות טמפרטורה חדות. בעומס גבוה יותר, הסוללה מתחממת מהר יותר ויכולה להמיס את כל השעווה לפני סיום הפריקה, ואחר כך הטמפרטורות עולות אך עדיין נשארות מתחת לכ־42 מעלות, גם במצב הסביבה החם ביותר שנחקר. המעטפת גם שומרת על הפרשי טמפרטורה בתוך התא ברמות מתונות, ומצמצמת נקודות חמות שיכולות לקצר חיים.

איזון בין זמן ההתחממות לצריכת אנרגיה

שאלה מעשית חשובה היא כמה אנרגיה נוספת זקוק החימום המקדים. המודל מראה שבמקרה הקר ביותר של מינוס 40 מעלות, פריקה בעוצמה נמוכה (1C) דורשת את זמן החימום הארוך ביותר ולכן את כמות האנרגיה הגדולה ביותר. ככל שקצב הפריקה עולה, החום הפסדי של הסוללה עצמו מסייע בחימום, כך שהמחמם החיצוני יכול להיכבות מוקדם יותר וצריכת האנרגיה יורדת ביותר מחצי. במזג אוויר פחות קיצוני, קרוב ל־0 מעלות, התא יכול לעיתים להגיע לטמפרטורת היעד בעיקר באמצעות חימום עצמי, מה שמפחית עוד יותר את הדרישה למחמם החיצוני.

מה משמעות זה לרכבים אמיתיים

בסך הכל, השילוב של חימום מקדים והמעטפת הממולאת בשעווה שומר על סוג סוללה נפוץ זה בטווח טמפרטורות בטוח ויעיל גם באיתחולים חורפיים קשים. הוא מציע דרך בעיקר פסיבית לאחד ירידות וזינוקי טמפרטורה ולרכך נקודות חמות תוך צמצום האנרגיה הנוספת הדרושה לחמם מארזים קפואים. עבור נהגים, זה עשוי להתבטא בטווח טוב יותר במזג אוויר קר, זמינות מהירה יותר ובטיחות משופרת לאורך זמן. לפני שמערכות כאלה יגיעו למארזים מסחריים, מהנדסים עדיין יצטרכו לחקור את עמידות הזמן הארוך של קומפוזיט הקצף־שעווה וכיצד לשלב אסטרטגיה זו בצורה מיטבית עם אלקטרוניקת בקרת הסוללה הקיימת, אך העבודה מצביעה על מסלול מעשי לחיזוק סוללות רכבי חשמל לדור הבא בחורף.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סוללות ליתיום-יון, אקלים קר, ניהול תרמי, חומרי מעבר פאזה, רכבים חשמליים