كيف تؤدي بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات في الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة؟

التحديات المرتبطة بشحن بطاريات ليثيوم حديد فوسفات في درجات الحرارة المنخفضة

فقدان السعة وكفاءة كولومية منخفضة عند درجات حرارة أقل من ٠°مئوية

تتعرض بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات أو LiFePO4 لفقدان كبير في السعة عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون نقطة التجمد. ووفقًا لبحث بونيمون لعام 2023، فإن إنتاج الطاقة منها ينخفض بشكل حاد بنسبة تصل إلى ٢٠–٣٠٪ عند درجة حرارة تبلغ نحو -١٠ درجات مئوية مقارنةً بدرجة حرارة الغرفة (حوالي ٢٥°م). والسبب في ذلك هو أن أيونات الليثيوم لا تتحرك بكفاءة كافية في الظروف الباردة. فعند اقتراب درجات الحرارة من نقطة التجمد، تنخفض قدرة الإلكتروليت على توصيل الأيونات بأكثر من النصف، ما يجعل من الصعب على الشحنات المرور عبر البطارية. علاوةً على ذلك، فإن ما يُعرف بكفاءة كولوم (Coulombic efficiency)، والتي تقيس عمليًّا كمية الطاقة الخارجة مقارنةً بالطاقة الداخلة، تنخفض إلى أقل من ٨٠٪ حتى عند الصفر درجة مئوية. وتؤدي حركة جسيمات الليثيوم البطيئة إلى تفاعلات غير كاملة عند الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى احتجاز جزء من الشحنة داخل البطارية بحيث لا يمكن الاستفادة منها. ونتيجةً لهذه المشكلات، غالبًا ما تتطلب تطبيقات حيوية هامة مثل المركبات الكهربائية (EV) معالجات تسخين خاصة قبل أن يمكن شحنها بأمان في ظروف الطقس البارد.

زيادة في المقاومة الداخلية وتأثيرات الاستقطاب الجهد

تزيد المقاومة الداخلية داخل خلايا بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) بشكل كبير عند انخفاض درجات الحرارة، حيث ترتفع بنسبة تقارب 50% عند درجة حرارة سالب 20 مئوية. ويحدث هذا لأن الإلكتروليت يزداد لزوجته، وتتدهور استقرار طبقة الواجهة الصلبة للإلكتروليت (SEI). وعندما ترتفع هذه المقاومة ارتفاعًا حادًّا، فإنها تُسبِّب مشاكل جسيمة أثناء دورات الشحن: إذ يرتفع جهد الطرفية بشكل كبير قبل أن تصل البطارية فعليًّا إلى اكتمال شحنها، ما يؤدي إلى خداع العديد من أجهزة الشحن لتوقُّف عملية الشحن مبكرًا جدًّا. ونتيجةً لذلك، تتعرَّض البطارية على المدى الطويل لحالة شحن ناقص مزمنة. والأمر الأسوأ هو أن شحن البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة يؤدي إلى ظاهرة تُعرف باسم «تَرسيب الليثيوم» (Lithium Plating)، حيث يتراكم الليثيوم المعدني على الأنود بدلًا من امتصاصه في مادة الجرافيت. وبعد خمس دورات شحن فقط تحت نقطة التجمد، قد تخسر البطاريات ما بين 15% و25% من سعتها بشكل دائم، إضافةً إلى ارتفاع كبير في احتمال حدوث دوائر قصيرة. ولهذا السبب، حددت معظم إرشادات السلامة الصناعية مثل معيار UL 1973 ومعيار IEC 62619 درجة الصفر المئوي كأدنى درجة حرارة مقبولة لممارسة عمليات الشحن الآمنة على الإطلاق.

الآليات الكهروكيميائية التي تحد من أداء فوسفات الليثيوم الحديدي عند درجات الحرارة المنخفضة

بطء حركية إدخال أيونات الليثيوم وخطر ترسيب الليثيوم

عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد، يتوقف حركة أيونات الليثيوم داخل أقطاب بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) بشكلٍ شبه تام. وتُظهر دراسات منشورة في مجلة «Journal of Power Sources» أن هذا التباطؤ يقلل من معدل إدخال الليثيوم بنسبة تتراوح بين ٦٠ و٧٥٪ عند هذه الدرجات المنخفضة. وما يحدث بعد ذلك يُسبب مشاكل جسيمة في أداء البطارية. فبما أنَّه لا يوجد مكان آخر لتوجُّهها إليه، تتراكم أيونات الليثيوم الزائدة على سطح الأنود بدلًا من أن تندمج بشكلٍ صحيح داخل المادة. وبدلًا من أن تُخزَّن بأمان، تتحول هذه الأيونات إلى ليثيوم معدني عبر عملية تُعرف باسم «التَّرسيب المعدني» (Plating). ويؤدي هذا الترسيب إلى إزالة الليثيوم النشط من النظام بشكلٍ دائم، ما يؤدي إلى فقدانٍ في السعة يبلغ نحو ٣٠٪ بعد ١٠٠ دورة شحن فقط في الظروف التي تقل فيها درجة الحرارة عن الصفر المئوي. والأمر أسوأ من ذلك، إذ يشجِّع هذا الترسيب على نمو «الشعيرات البلورية التوصيلية» (Dendrites)، والتي قد تخترق في الواقع طبقة الفاصل داخل البطارية. وحال حدوث ذلك، تنشأ دائرة قصيرة داخلية خطرة تتبعها حالات «الانفلات الحراري» (Thermal Runaway). ولنوضِّح الأمر جيدًا: هذه ليست مخاطر نظريةً فقط، بل إن حرائق المركبات الكهربائية (EV) الفعلية رُبطت بالفعل بهذا النوع من آلية الفشل في المناخات الباردة حول العالم.

زيادة لزوجة الإلكتروليت وعدم استقرار طبقة SEI عند درجات الحرارة دون الصفر

عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون نقطة التجمد، تبدأ الإلكتروليتات في التصرف بشكلٍ سيءٍ للغاية. فعند حوالي -20 درجة مئوية مقارنةً بدرجة حرارة الغرفة العادية (حوالي 25°م)، تزداد لزوجتها بما يقارب ثلاثة أضعاف قيمتها المعتادة، مما يقلل من كفاءة حركة الأيونات عبر المادة بنسبة تزيد على ٨٠٪. وفي الوقت نفسه، تصبح طبقة الـSEI التي تحمي الأنود غير مستقرة جدًّا عند درجات الحرارة المنخفضة. وعندما تنكمش المواد وتتزايد الإجهادات المُطبَّقة عليها، تتكون شقوق دقيقة في هذه الطبقة الواقية. وتؤدي هذه الشقوق إلى كشف مناطق جديدة من سطح الأنود، وإلى تشكُّل مسارات غير متجانسة يتوضع فيها الليثيوم أثناء دورات الشحن. وقد أظهرت الدراسات أن حدوث هذه التشققات في طبقة الـSEI عند حوالي -10°م يؤدي إلى مضاعفة مقاومة عمليات الشحن مقارنةً بالقيمة الطبيعية لها، ما يرفع احتمال تكوُّن طبقة خطرة من الليثيوم على الأقطاب الكهربائية بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالتشغيل العادي عند درجات حرارة الغرفة. وباستيعاب جميع هذه المشكلات معًا، فإن أداء البطارية ينخفض انخفاضًا كبيرًا من حيث كلٍّ من القدرة على توصيل الطاقة بسرعة، ومدى استمرارها قبل الحاجة إلى استبدالها.

إرشادات شحن عملية وبروتوكولات سلامة لبطاريات ليثيوم حديد فوسفات

أدنى درجة حرارة آمنة للشحن (معيار ٠°م) واستراتيجيات التكييف الحراري المسبق

شحن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد ليس مجرد ممارسة خاطئة فحسب، بل هو ممنوعٌ فعليًّا وفقًا لمعايير السلامة مثل معيار UL 1973. ويؤكِّد هذا الاستنتاج بحثٌ نُشِر في مجلة «مصدر الطاقة» (Journal of Power Sources)، حيث أظهر أن خلايا البطارية تبدأ في التحلل بسرعة بمجرد وصولها إلى درجات حرارة تحت الصفر. وعندما تنخفض الحرارة إلى أقل من ٣٢° فهرنهايت (٠° مئوية)، يزداد لزوجة الإلكتروليت داخل هذه البطاريات بشكلٍ كبير — أي ما يعادل نحو ثلاثة أضعاف لزوجته المعتادة — مما يؤثر سلبًا جدًّا على حركة الأيونات عبر النظام. وللتغلب على هذه المشكلة، يوصي العديد من المصنِّعين بتسخين حزمة البطاريات أولًا. إذ يؤدي رفع درجة حرارة الخلايا إلى نطاق يتراوح بين ٥ و١٠ درجات مئوية قبل توصيلها بالشاحن إلى خفض المقاومة الداخلية بنسبة تقارب ٤٠٪، ما يجعل عملية الشحن أكثر أمانًا وكفاءة. أما للحفاظ على الدفء أثناء فترات التخزين، فإن الحلول السلبية كافية عادةً. فمواد العزل التي تتغير حالتها عند درجات حرارة معينة تؤدي دورًا ممتازًا في هذا السياق. لكن عند الحاجة إلى تشغيل المركبات في بيئات شديدة البرودة، تكون أنظمة التسخين النشطة التي تتحكم فيها برامج إدارة البطاريات عادةً أكثر فعالية. ويمكن لهذه الأنظمة استخدام نبضات قصيرة من التيار أو عناصر تسخين مقاومية بسيطة لرفع درجات الحرارة بسرعة وبدقة عالية. وتضم معظم الأنظمة الحديثة مستشعرات درجة حرارة مدمجة تتحقق مرتين من أن جميع القيم ضمن الحدود الآمنة قبل السماح إطلاقًا بدورة شحن.

معدلات الشحن الموصى بها في درجات الحرارة المنخفضة (مثل 0.1C) وضوابط نظام إدارة البطارية (BMS)

عند الشحن ضمن نطاق درجات الحرارة من ٠°م إلى ٥°م، يجب تحديد أقصى تيار عند ٠.١C (أي ١٠٪ من السعة الاسمية) لقمع ظاهرة ترسيب الليثيوم على الأقطاب. وتُطبِّق أنظمة إدارة البطارية (BMS) الحديثة حمايات متعددة الطبقات:

• تشديد حدود الجهد القصوى إلى ٣.٤٥ فولت/خلية عند درجات حرارة أقل من ٥°م لتفادي الترسيب الناجم عن فرق الجهد الزائد
• مراقبة معاوَمة الخلية في الزمن الحقيقي، مع خفض التيار تلقائيًّا عند تجاوز المقاومة الداخلية لقيمة ٥٠ ملي أوم
• إيقاف عملية الشحن تلقائيًّا إذا انخفضت درجة حرارة الخلية إلى ما دون -١٠°م
  وتدمج الأنظمة التي أُطلقت بعد عام ٢٠٢٠ نماذج تنبؤية تعتمد على المعاوَمة لضبط ملفات الشحن ديناميكيًّا، مما يُعوِّض الاستقطاب الجهدي والشيخوخة المبكرة. أما بالنسبة لأنظمة التخزين الثابتة في المناخات الباردة، فتستخدم أغطية تسخين مدمجة—تُتحكَّم فيها حلقات التغذية الراجعة الخاصة بنظام إدارة البطارية (BMS)—للحفاظ على الظروف الكهروكيميائية المثلى طوال عملية الشحن. ويجب دائمًا استخدام شواحن معتمدة ومزودة بتنظيم جهد مُعوَّض لدرجة الحرارة، بحيث يتوافق تمامًا مع النطاق التشغيلي الضيق للبطاريات الليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄)، والممتد بين ٣.٢ و٣.٤٥ فولت/خلية.

الأسئلة الشائعة

لماذا تفقد بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات سعتها في درجات الحرارة المنخفضة؟

تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى إبطاء حركة أيونات الليثيوم، مما يقلل من قدرة البطارية على توصيل الشحنة وبالتالي يعيق إنتاجها وكفاءتها.

ما المقصود بالتَّرسيب الليثيومي، ولماذا يُعتبر مصدر قلق؟

يحدث الترسيب الليثيومي عندما يتراكم الليثيوم المعدني على الأنود الخاص بالبطارية أثناء الشحن في الظروف الباردة. وقد يؤدي ذلك إلى فقدان السعة، وحدوث دوائر قصيرة، بل واحتمال نشوب حرائق.

ما الاستراتيجيات الفعالة لشحن بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) في الطقس البارد؟

تُوصى باستراتيجيات التهيئة الحرارية، مثل تسخين حزمة البطاريات إلى ما بين ٥ و١٠ درجات مئوية قبل الشحن، للحد من المقاومة الداخلية وتحسين السلامة.

لماذا تُعد مراقبة المعاوقة في الوقت الفعلي أمراً مهماً؟

تساعد مراقبة المعاوقة في الوقت الفعلي في التحكم في تيار الشحن، ومنع مشكلات الجهد الزائد، والتخفيف من خطر الترسيب الليثيومي في البطاريات.