كيفية اختبار أداء خلايا البطارية؟

معلمات الأداء الرئيسية في تقييم خلية البطارية

لماذا يهم توصيف أداء خلايا البطاريات الليثيومية

تحقيق التقدم في تقييم أداء بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن يمنع حدوث مشكلات كبيرة قبل ظهورها، سواء في المركبات الكهربائية أو حتى في حلول تخزين الطاقة على نطاق واسع. وبحسب بحث منشور في مجلة Nature، فإن حوالي 23 بالمئة من عمليات استدعاء البطاريات تعود إلى مشكلات لم تُكتشف إلا متأخرة خلال الاختبارات الأولية. عندما يخصص المهندسون الوقت الكافي لتحليل هذه البطاريات بشكل دقيق، يصبحون أكثر دقة في تقدير عمرها الافتراضي عبر دورات الشحن، واكتشاف المشكلات مثل تراكم طبقة التفاعل الإلكتروليتي الصلبة (SEI) تدريجيًا، وتوفير تصميم أنظمة تبريد أكثر ذكاءً وكفاءة. هذا النوع من التحليل الدقيق يسهم بشكل كبير في الحفاظ على سلامة وموثوقية التكنولوجيا على المدى الطويل.

المعلمات الكهروكيميائية الأساسية: السعة، الجهد الكهربائي المفتوح، والمقاومة الداخلية

تُشكّل ثلاث مقاييس حجر الأساس لتقييم البطاريات:

تحليل شامل في جول تم العثور على معدلات الحفاظ على السعة تختلف بنسبة 18–22% بين أنواع الخلايا التجارية تحت ظروف دورات متطابقة، مما يبرز أهمية وضع معايير محددة لكل تركيبة كيميائية.

مقارنة الأداء عبر التركيبات الكيميائية: NMC، LFP، وLTO

تتطلب الأنظمة الحديثة للبطاريات إطارات تقييم محددة لكل تركيبة كيميائية:

• توفر خلايا NMC كثافة طاقة تتراوح بين 240–280 Wh/kg لكنها تظهر تدهورًا في السعة أسرع بنسبة 15% مقارنة بخلايا LFP
• تُظهر بطارية LFP احتفاظها بسعة 92% بعد 2000 دورة في تطبيقات التخزين الثابت
• تصل بطارية LTO إلى عمر استثنائي يبلغ 20,000 دورة رغم كثافة طاقة أقل تبلغ 70–80 واط ساعة/كجم

تُبرز هذه الاختلافات التنازلات بين كثافة الطاقة والمتانة والاستقرار عند اختيار الكيميائيات لحالات الاستخدام المحددة.

أفضل الممارسات لاختبار خلايا البطاريات بطريقة موثوقة وقابلة للمقارنة

تُحقق أربع مبادئ صحة الاختبار:

1. الحفاظ على درجة حرارة محيطة تبلغ 25±1°م أثناء دورات الشحن والتفريغ
2. استخدام أدوات قياس الجهد والتيار قابلة للتتبع لدى NIST
3. تطبيق فترات استقرار مدتها 48 ساعة بين مراحل الاختبار
4. تسجيل بيانات مطيافية مقاومة الخلايا الكهروكيميائية (EIS) بزيادات 10%-90% في حالة الشحن

يساهم الالتزام بهذه البروتوكولات في تقليل الانحراف في القياسات وتعزيز القابلية للمقارنة بين المختبرات.

التحول في الصناعة نحو بروتوكولات تقييم الأداء الموحّدة

تتماشى الآن المختبرات الرائدة مع بروتوكولات IEC 62660-1 وUL 1973، مما قلّص الفوارق في قياسات السعة بين المختبرات من 12% إلى 4.5% منذ عام 2019. وقد قدم مؤخرًا تحالف اختبار البطاريات المشترك معايير تقادم موحّدة تغطي 18 متغيرًا من تركيبات البطاريات، مما يمكّن من تقارير أداء أكثر اتساقًا عبر سلاسل الإمداد العالمية.

أساليب الاختبار الأساسية لأداء خلية البطارية

نظرة عامة على أساليب اختبار البطاريات الشائعة عبر الصناعات

عند تقييم خلايا البطاريات الحديثة، يعتمد المهندسون عادةً على ثلاث طرق رئيسية. أولاً هناك اختبار الشحن والتفريغ الكهربائي المستمر لقياس كمية الطاقة التي يمكن للخلية تخزينها. ثم يأتي قياس معاوقة الخلية الكهروكيميائية، المعروف اختصارًا باسم EIS، والذي يركز على مشكلات المقاومة الداخلية. وأخيرًا، يستخدم العديد من المختبرات تقنية تقييم قدرة القدرة النبضية الهجينة (HPPC) لمحاكاة ظروف الحمل الواقعية. توفر هذه الطرق الاختبارية معلومات حيوية تساعد في تصميم المنتجات في مجالات تتراوح من السيارات إلى الهواتف الذكية. وبحسب تقارير صناعية حديثة، فإن حوالي 89 بالمئة من الشركات المصنعة تجمع بالفعل بين طريقتين على الأقل من هذه التقنيات عند التحقق من أداء البطاريات، مما يظهر مدى أهمية هذا النهج المتعدد الزوايا في ضمان حلول طاقة موثوقة عبر الأسواق المختلفة.

قياس السعة من خلال دورة الشحن/التفريغ الكهربائي المستمر

تطبق هذه الطريقة مراحل التيار الثابت أثناء الشحن والفراغ لحساب القدرة (Ah) وكثافة الطاقة (Wh / kg). توصي بروتوكولات الاختبار الموحدة الحديثة بتسلسلات نبضات مع زيادات SOC بنسبة 20٪ وفترات راحة لمدة ساعة واحدة ، مما يقلل من أخطاء القياس الناجمة عن درجة الحرارة بنسبة 32٪ مقارنة بالدورة المستمرة التقليدية.

دراسة حالة: اختبار القدرة في خلايا كيس الليثيوم أيون

أظهرت دراسة أجريت عام 2023 تحليلًا لثماني خلايا كيس ليثيوم أيون تجارية تدهورًا في القدرة بنسبة 14.7٪ على مدى 800 دورة باستخدام معدلات تفريغ 1C الخاضعة للرقابة. وربط الباحثون بين التلاشي في القدرة مع أنماط استنزاف الإلكتروليت التي لوحظت من خلال التصوير SEM، ووضع نماذج تنبؤية مع هامش خطأ ± 1.2٪ عبر عينات الدفعات التي تعتبر ذات قيمة لضمان الجودة في الإنتاج الك

وصف الطاقة النبضة الهجينة (HPPC) لمحاكاة الحمل الديناميكي

تطبق HPPC نبضات تفريغ / شحن لمدة 10 ثوانٍ لمحاكاة الأحمال الحقيقية مثل تسارع المركبات الكهربائية والكبح التجديدي. يبلغ مصنعو صناعة السيارات عن ارتباط بنسبة 92٪ بين مقاييس الطاقة المشتقة من HPPC وأداء السيارة الفعلي ، مما يتيح تحديد حجم البطارية بدقة لملفات التسارع المستهدفة 0 60 ميلاً في الساعة.

تصميم إجراءات اختبار مخصصة حسب التطبيق لضمان التمثيل الدقيق للواقع

تحسّن البروتوكولات المخصصة من دقة التنبؤ بنسبة 40% للتطبيقات الحيوية. تشمل الأمثلة:

• اللوجستيات في درجات الحرارة المنخفضة : الاختبار عند درجة حرارة -30°C مع معدل تفريغ 2C
• تخزين الشبكة الكهربائية : تنفيذ فترات راحة مدتها 72 ساعة بين دورات الشحن الجزئي
• الأجهزة الطبية : التحقق من صحة 99.99٪ الشحن / تفريغ على مدى 10،000 دورة صغيرة

هذه التكيفات تعالج المتطلبات الخاصة بالصناعة مع الحفاظ على التوافق مع إطارات الاختبار ISO 12405-4.

طيف العكس الكهروكيماوي وتحليل المقاومة الداخلية

دور EIS في تشخيص صحة خلايا البطارية وأدائها

طيف العكس الكهروكيماوي أو EIS قد استولى على طريقة التحقق من خلايا البطارية دون إتلافها. يساعد على تحديد متى تبدأ البطاريات في فقدان قدرتها على الاحتفاظ بالشحنة ويتتبع التغيرات في مدى قيادتها الكهربائية في الداخل. تعمل هذه التقنية عن طريق إرسال إشارات التيار المتردد في ترددات مختلفة تتراوح بين 0.1 هرتز إلى حوالي 100 كيلو هرتز. هذا يسمح للعلماء بقياس الأشياء التي تحدث كيميائيا داخل البطارية مثل مدى سرعة تحرك الشحنات حولها ومدى سمك تلك الطبقات SEI مزعج الحصول على الأقطاب الكهربائية. معظم الناس الذين يعملون مع البطاريات هذه الأيام يعتمدون بشكل كبير على قراءات EIS لمعرفة حالة الصحة لأن الاختبارات التقليدية لا تكتشف المشاكل حتى تكون بالفعل سيئة.

فهم المقاومة الأوهمية وأساسيات العقبة

المقاومة الأومية (R) _ω ) يمثل انخفاض الجهد الفوري أثناء تدفق التيار، بينما تشمل الممانعة (Z) المكونات المقاومة والتفاعالية معاً. أبرز الاختلافات:

تفصل تقنية EIS بين هذه المعايير من خلال تحليل مخطط نايكويست، مما يكشف عن أبرز أنماط التدهور مثل جفاف الإلكتروليت أو تشقق الأقطاب الكهربائية.

دراسة حالة: تحليل EIS لتدهور خلايا ليثيوم أيون من نوع Pouch

وبحسب دراسة حديثة نُشرت في مجلة Frontiers in Materials عام 2025، فإن تقنية EIS أثبتت أنها فعالة إلى حد كبير في متابعة كيفية تقدم خلايا الليثيوم أيون من نوع pouch في الشيخوخة مع مرور الوقت. قام الفريق البحثي بتجهيز تجربتهم باستخدام نظام قائم على ثلاثة إلكترودات، وطبّقوا إشارات تيار متردد بجهد 10 ملي فولت عبر نطاق ترددات امتد من 0.01 هرتز حتى 100,000 هرتز. ما اكتشفوه كان مثيرًا للاهتمام بالفعل - فبعد حوالي 500 دورة شحن، لوحظ ارتفاع ملحوظ بنسبة 34% في ما يُعرف بمقاومة انتقال الشحنة. عندما أجرى الفريق محاكاة على البيانات بعد الاختبار، أصبح من الواضح أن هذا الارتفاع في المقاومة يعود إلى عاملين رئيسيين: زيادة سماكة طبقة ما يُعرف بطبقة الإلكتروليت الصلبة (SEI) وبدء تفتت المواد الفعالة وانفصالها عن أماكنها المفترضة. توفر هذه النتائج للمصنّعين معلومات قيّمة يمكن الاعتماد عليها لتحسين عمر البطاريات وتأخير فشلها.

تقنيات الفحص السريع الناشئة: طريقة النبضات وطريقة مقاومة التيار المتردد

توفر إصدارات EIS القائمة على النبض الآن اختبارات أسرع بنسبة 87٪ من الطرق التقليدية من خلال:

• استخدام موجات جيبية متعددة (إشارات متزامنة من 1 إلى 1000 هرتز)
• تقييد مدة الاختبار لتصل إلى أقل من 15 دقيقة لكل خلية
• الحفاظ على هامش خطأ أقل من 5٪ مقارنة بجهاز EIS القياسي

ومن خلال ذلك، يمكن تنفيذ ضمان الجودة داخل خطوط الإنتاج في مصانع البطاريات الكبيرة (Gigafactories)، حيث أفاد أحد مصنعي السيارات الكهربائية بخفض مدة تصنيف الخلايا بنسبة 62٪ دون التأثير على دقة التشخيص.

تحسين اختيار التردد وتفسير البيانات في جهاز EIS

تُحسّن المحددات الترددية الاستراتيجية من دقة التشخيص:

• الترددات المنخفضة (من 0.01 إلى 1 هرتز): تتبع قيود انتشار أيونات الليثيوم
• متوسط التردد (من 1 إلى 1000 هرتز): كشف تغييرات واجهة الإلكترود/الإلكتروليت
• الترددات العالية (>1 كيلوهرتز): عزل مقاومة الموصل/الجامع

توفر أدوات النمذجة الدقيقة للدوائر المكافئة الآن أتمتة لـ 92% من سير العمل الخاصة باستخراج المعلمات، مما يقلل وقت التفسير من ساعات إلى دقائق ويعزز قابلية التكرار عبر بيئات الاختبار.

تأثير ظروف الاختبار على نتائج خلية البطارية

كيف تؤثر ظروف الاختبار على تباين أداء البطارية

يمكن أن تختلف أرقام أداء خلايا البطارية بشكل كبير اعتمادًا على طريقة اختبارها. يمكن أن تؤدي عوامل مثل التغيرات في درجة الحرارة وسرعات التفريغ المختلفة ونسبة الشحن المتبقية في الخلية إلى اختلافات تصل إلى حوالي 30% في سيناريوهات الاختبار القياسية. وجد بحث نُشر في مجلة 'كيمياء الطاقة' في عام 2021 شيئًا مثيرًا للاهتمام حول خلايا NMC على وجه التحديد. عندما تم تفريغ هذه البطاريات بسرعة تبلغ ضعف السرعة العادية (2C) بدلاً من نصف السرعة (0.5C)، انخفضت سعتُها القابلة للاستخدام بنسبة تصل إلى 15%. السبب الرئيسي هو أن الأيونات لا تتحرك بسرعة كافية عبر المادة أثناء التفريغ السريع، وهناك بعض التحديات المتعلقة بنقل الشحنات بشكل صحيح داخل هيكل الخلية.

تأثيرات درجة الحرارة وسرعة التفريغ وحالة الشحن على الأداء

تُنشئ درجات الحرارة القصوى مشكلتين رئيسيتين للبطاريات. عندما تصبح درجة الحرارة مرتفعة جداً، فإن الأقطاب تتحلل بشكل أسرع بسبب التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها، مما يؤدي إلى انخفاض السعة بنسبة تتراوح بين 3 إلى 5 بالمائة لكل 10 درجات مئوية فوق 25 درجة مئوية. الطقس البارد يُعد مشكلة كبيرة بنفس القدر، حيث يرتفع مقاومة الأيونات بنسبة تتراوح بين 200 إلى 300 بالمائة في أنظمة الليثيوم-أيون القياسية عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد. ووجدت دراسة نُشرت مؤخراً من قبل كابكوفا وزملائها أمراً مثيراً للاهتمام حول بطاريات الليثيوم-كبريتيد. عند درجة حرارة تبلغ -20 مئوية، حافظت خلايا هذه البطاريات على نحو 60 بالمائة فقط من سعتها عند درجة حرارة الغرفة الطبيعية، ويرجع ذلك أساساً إلى أن الإلكتروليت يصبح أكثر كثافة وأكثر صعوبة في التعامل معه. كما تتفاقم الآثار في خلايا الكثافة العالية للطاقة أيضاً. تؤدي معدلات التفريغ السريعة مثل نبضات 5C إلى انخفاضات في الجهد الكهربائي تتجاوز 20 بالمائة في تلك الإعدادات الخاصة بالجرافيت-NMC، مما يجعلها غير موثوقة إلى حد كبير تحت الضغط.

دراسة حالة: اختبار أداء البطاريات التجارية في درجات الحرارة المنخفضة

أظهر تحليل مقارن لثماني خلايا تجارية من نوع 18650 عند درجة حرارة -10°م:

أظهرت الخلايا القائمة على الليثيوم التيتانيت (LTO) مقاومة متفوقة في درجات الحرارة المنخفضة بفضل هيكلها البلوري الخالي من الانفعالات والتوصيلية الأعلى للمحلول الكهربائي، وهو ما يتماشى مع بحث 2023 المنشور في مجلة Applied Energy حول أداء بطاريات الليثيوم أيون في الأجواء الباردة.

اختبارات تحت ظروف مقيدة للتحقق من السلامة والامتثال

تُلزم بروتوكولات تنظيمية مثل UN38.3 بإجراء اختبارات في ظروف قاسية، بما في ذلك دورات الصدمة الحرارية (من -40°م إلى +71°م) ومحاكاة الارتفاع (11.6 كيلو باسكال). تُحدد هذه الاختبارات أنماط الفشل مثل انهيار الفاصل في الخلايا البوليمرية الليثيومية أثناء الانخفاض المفاجئ في الضغط، مما يضمن النقل والتشغيل الآمن تحت الظروف القاسية.

التحكم في المتغيرات من أجل تحليل دقيق وقابل للتكرار للخلايا البطارية

تتطلب معايير الاختبار الحديثة تحكمًا دقيقًا هذه الأيام، عادةً ما يقارب نصف درجة مئوية في درجة الحرارة ودقة تصل إلى حوالي واحد في المائة في قياسات التيار، وذلك للحفاظ على توافق النتائج عبر المختبرات المختلفة. كما أظهرت أبحاث نُشرت في مجلة Frontiers in Energy Research عام 2025 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. عندما تختلف قوى التثبيت في تركيبات الخلايا عن حد معين بما يزيد على نيوتن·متر، فإنها تؤدي في الواقع إلى تغيير مقاومة الاتصال بنسبة تصل إلى ثمانية عشر في المائة. ولذلك تأتي أهمية ضبط الإعداد الميكانيكي بشكل دقيق في بيئات الاختبار. عادةً ما تُنتج المختبرات التي تحافظ على استقرار العوامل البيئية إلى جانب المحاذاة الميكانيكية المناسبة بيانات أفضل بكثير، يمكن الاعتماد عليها عند إعادة الاختبار لاحقًا.

أسئلة شائعة

لماذا تعتبر تقييم خلايا البطاريات مهمة؟

تساعد تقييم خلايا البطاريات في منع حدوث مشاكل كبيرة في التكنولوجيا مثل المركبات الكهربائية وحلول تخزين الطاقة. كما تسمح للمهندسين بتوقع عمر البطارية واكتشاف المشاكل المبكرة، مما يعزز الموثوقية والسلامة.

ما هي المعايير الأساسية لتقييم البطاريات؟

السعة، والجهد الكهربائي بدون حمل، والمقاومة الداخلية هي مقاييس أساسية لتقييم البطاريات، وتؤثر على قدرة تخزين الطاقة، وحالة الشحن، وكفاءة توصيل الطاقة.

كيف تؤثر التركيبات الكيميائية المختلفة للبطاريات على الأداء؟

تقدم التركيبات الكيميائية المختلفة مثل NMC وLFP وLTO مقاييس متباينة بين كثافة الطاقة، والمتانة، والاستقرار، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات محددة.

ما هي بعض طرق اختبار البطاريات القياسية؟

تشمل الطرق الشائعة دورة الشحن/التفريغ عند تيار ثابت، وتحليل طيف الكهروكيميائي (EIS)، وخصائص القدرة النبضية الهجينة (HPPC) لمحاكاة الظروف الواقعية.