מודל אנליטי של מערכת קירור מבוססת חומר מעברי פאזות עבור סוללות ליתיום-יון

מדוע סוללות קרות חשובות

סוללות ליתיום-יון מספקות אנרגיה לטלפונים, למחשבים ניידים ולמכוניות חשמליות, אבל הן מתמודדות בשקט עם בעיה: הן מתחממות. עודף חום יכול לקצר את חיי הסוללה ובמקרים קיצוניים לגרום לכשל מסוכן. המחקר בוחן שיטת חכמה לריסון החום הזו באמצעות חומרים מיוחדים הנמסים וסופגים אנרגיה, ומציע שיטה מהירה ברמת עיפרון ונייר לחיזוי יעילות הקירור לפני שהמהנדסים בונים חבילת סוללות.

אחסון אנרגיה ופיזור חום

בהתאם למעבר מאנרגיה פוסילית, סוללות הפכו למרכזיות באחסון חשמל נקי ובהנעת כלי רכב. תאי ליתיום-יון אטרקטיביים כי הם מאחסנים אנרגיה רבה בנפח קטן וניתן לטעון ולפרוק אותם פעמים רבות. החיסרון הוא שהתגובות שמספקות הספק גבוה גם מייצרות חום. אם הטמפרטורה עולה מדי או משתנה באופן חד בתוך חבילת הסוללות, התאים מזדקנים מהר יותר, מאבדים קיבולת, ולעתים רבה יותר נכנסות לתהליך ריצה תרמית שיכול להוביל לשריפה.

מעיל דמוי שעווה סביב כל תא

דרך מבטיחה לקירור סוללות היא לעטוף כל תא בחומר מעברי פאזות, לעתים חומר דמוי שעווה. כשהסוללה מתחממת, החומר נמס וסופג כמויות גדולות של אנרגיה תוך שהוא נשאר בקרבת טמפרטורה אחת, בדומה לקרח ששומר על משקה קר בזמן שהוא נמס. ניסויים ומדידות ממוחשבות בעבר הראו שמעטפות פאזתיות כאלה יכולות לשמור על שטח פני הסוללות קר ויותר אחיד, אך עד כה התאוריה לתאים צילינדריים היתה מוגבלת, איטית לחישוב או התבססה על פישוטים כבדים.

דרך מהירה יותר לחיזוי החום בתאים עגולים

המחברים מפתחים מודל אנליטי — כלומר מערכת משוואות שניתן לפתור ישירות במקום שימוש בסימולציה נומרית כבדה. הם מפצלים את הבעיה לשני חלקים מקושרים: חום הנוצר ומועבר בתוך הסוללה העגולה, וחום הנספג ומועבר בחומר המעבר שממס את עצמו החוצה מפני התא. באמצעות כלי מתמטי הנקרא פונקציית גרין לתא והרחבת הפרטורבציה לחומר הממס, הם מתאימים באופן איטרטיבי את הטמפרטורה וזרימת החום בגבול המשותף עד ששני הצדדים מסכימים. זה מספק את הטמפרטורה בכל רדיוס בתוך התא ואת מיקום חזית ההיתוך במהלך הזמן.

מה קובע עד כמה ליבת הסוללה מתחממת

עם המשוואות החדשות, החוקרים בודקים כיצד תכונות שונות מעצבות את ביצועי הקירור. הם מאשרים שהעלאת ההולכה התרמית של חומר המעבר מורידה את טמפרטורת פני השטח של הסוללה ועוזרת לפזר חום, אך רק עד גבול מסוים. הנקודה החמה ביותר במערכת נשארת ליבת התא, ואזור זה מגיב בחוזקה להולכת החום של הסוללה עצמה: שיפור הולכת החום בתא יכול להקטין את טמפרטורת השיא בליבה בכ־שני שליש במקרי הדגמה שלהם. הגדלת יכולת החומר המעברי לאגור חום היתוך מיישרת עוד יותר את טמפרטורות הפנים, אך יש לה השפעה יחסית קטנה על האזור החם ביותר עמוק בתוך התא.

עיצוב חבילות לעוצמה ולבטיחות

המודל גם מראה כיצד מחזורי פריקה מהירים וזרמים גבוהים מזרזים חימום והיתוך מהירים יותר של החומר הסובב. במעקב אחר מרחק תנועת חזית ההיתוך, המחברים יכולים לאמוד כמה עבה צריכה להיות שכבת החומר המעברי כך שתסיים להימס בדיוק כאשר הסוללה משלימה את הפריקה התובענית ביותר שלה. איזון זה שומר על טמפרטורות בטווח בטוח ומונע הוספת שעווה מיותרת שתוסיף משקל ותפחית את אחסון האנרגיה הכולל. המחקר מסיק שבזמן שקירור מבוסס פאזות הוא כלי פסיבי יעיל, יתרונו המלא לתאים צילינדריים מתממש רק כאשר התאים עצמם מתוכננים כך שיאפשרו בלימת חום טובה יותר מליבותיהם.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סוללות ליתיום-יון, קירור סוללות, חומר מעברי פאזות, ניהול תרמי, תאים צילינדריים