بطاريات الليثيوم أيون لا تعمل بشكل جيد في البرد.. البحث عن حلول تجعلها أكثر أمانًا للمستهلك

تعتبر البطاريات القابلة لإعادة الشحن جيدة 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.

ويسلي تشانج، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية، جامعة دريكسيل، مهتمًا بالبطاريات منذ الكلية، يقود مجموعة أبحاث البطارية.

في العقد الماضي فقط، شاهدت انخفاض أسعار بطاريات الليثيوم أيون مع نمو سوق الإنتاج بشكل أكبر، تتوقع التوقعات المستقبلية أن يصل السوق إلى آلاف جيجاوات ساعة سنويًا بحلول عام 2030، وهي زيادة كبيرة.

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

خلف بطارية الليثيوم أيون

يعمل تخزين الطاقة الكهروكيميائية داخل البطاريات عن طريق 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.

عندما تقوم بتوصيل سيارتك الكهربائية أو هاتفك، فإن الكهرباء التي يوفرها المنفذ تدفع هذه الأيونات من القطب الموجب للبطارية إلى القطب السالب.

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.

ويوضح تشانج، أن بطاريات AA أو AAA يمكنها تشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، إلا أنه يمكن استخدامها مرة واحدة فقط ولا يمكن شحنها، ويمكن 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.

ويشرح أنه نظرًا لأن الليثيوم هو أخف المعادن، فهو يتمتع بقدرة نوعية عالية، مما يعني أنه يمكنه تخزين كمية كبيرة من الشحنة 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 .

مخاطر وحرائق البطارية

ويؤكد تشانج، أنه مع ذلك، فإن بطاريات الليثيوم أيون لها مخاطر لا توجد في بطاريات AA أو AAA لسبب واحد، هم أكثر عرضة للاشتعال، على سبيل المثال، ارتفع عدد حرائق بطاريات الدراجات الكهربائية التي تم الإبلاغ 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، زادت مبيعات السيارات الكهربائية في جميع أنحاء الولايات المتحدة، خاصة في المناطق الباردة مثل الشمال الشرقي والغرب الأوسط، حيث يمكن لدرجات الحرارة شديدة البرودة أن تعيق 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 وتشكل معدن الليثيوم .

إذا ترسب الكثير من الليثيوم على سطح القطب الكهربائي أثناء الشحن، فقد يتسبب ذلك في حدوث ماس كهربائي داخلي، يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى نشوب حريق في البطارية.

صنع بطاريات أكثر أمانًا

تدرس مجموعة تشانج البحثية مع العديد من الآخرين، 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، هناك خيار محتمل آخر، وهو تسخين البطارية قبل الشحن بحيث تتم عملية الشحن عند درجة حرارة أكثر دفئًا.

تقوم المجموعة البحثية 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.

يمكن أن تعمل بطاريات أيونات الصوديوم بشكل جيد وبتكلفة أقل، حيث يعد الصوديوم موردًا وفيرًا للغاية.

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

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.