درجة حرارة بطارية الليثيوم مرتفعة جدًا، أكثر من 45 درجة مئوية يتم استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في إنتاج الأشخاص وحياتهم، مما يجعل درجة حرارة البيئة المحيطة بها هي النقطة الرئيسية المثيرة للقلق، نسبيًا، من الأسهل إنتاج بطاريات الليثيوم لمشاكل تتعلق بالسلامة في بيئة ذات درجة حرارة عالية، لذلك، من الضروري اختبار أداء بطاريات الليثيوم في درجات الحرارة المرتفعة، ومقارنتها ببيانات اختبار درجة الحرارة العادية. عندما يتم إساءة استخدام بطارية الليثيوم أيون أو إساءة استخدامها، مثل الاستخدام في درجة حرارة عالية أو فشل التحكم في الشاحن، فقد يتسبب ذلك في تفاعل كيميائي عنيف داخل البطارية، مما ينتج عنه الكثير من الحرارة، إذا فات الأوان لتبدد الحرارة و تتراكم بسرعة داخل البطارية، وقد تتسرب البطارية، وتنفيس، والدخان وغيرها من الظواهر، وحرق البطارية الخطيرة والانفجار.
تشمل التفاعلات الكيميائية التي تحدث في البطاريات عند درجات الحرارة المرتفعة بشكل رئيسي ما يلي:
(1) تحلل فيلم SEI: الفيلم الواقي غير مستقر، ويحدث التحلل وإطلاق الحرارة عند 90-120 درجة مئوية.
(2) تفاعل الليثيوم والكهارل المدمج: فوق 120 درجة مئوية، لا يمكن للغشاء قطع يحدث اتصال بين القطب السالب والكهارل، والليثيوم المضمن في القطب السالب ويحدث تفاعل طارد للحرارة بالكهارل.
(3) تحلل الإلكتروليت: يحدث التحلل عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية وإطلاق الحرارة.
(4) تحلل المادة النشطة الإيجابية: في حالة الأكسدة، سوف تتحلل المادة الإيجابية للحرارة وتطلق الأكسجين، والذي سوف يتفاعل طارد للحرارة مع المنحل بالكهرباء، أو سوف تتفاعل المادة الإيجابية مباشرة مع المنحل بالكهرباء.
(5) التفاعل الطارد للحرارة بين الليثيوم المضمن وموثق الفلورايد.
تمت دراسة تأثير درجة الحرارة المرتفعة على أداء البطارية الأسطوانية 2Ah (مادة القطب الموجب NCM، باستخدام رابط PVdF، مادة الكربون السالبة، باستخدام رابط CMC/SBR)، وتمت مقارنة ظروف البطاريتين عند درجات حرارة عالية مختلفة :
بطارية B2 - الدورة الأولى مرتين عند 60 درجة مئوية، ثم الدورة عند 85 درجة مئوية
بطارية B3 - الدورة الأولى مرتين عند 60 درجة مئوية، ثم الدورة عند 120 درجة مئوية
كما يتبين من الشكل 4، بعد 26 دورة عند 85 درجة مئوية، يبلغ فقدان قدرة بطارية B2 حوالي 7.5%، وتزداد مقاومة البطارية بنسبة 100%. بعد 25 دورة عند 120 درجة مئوية، تفقد بطارية B3 حوالي 22% من سعتها وتزيد ممانعة البطارية بنسبة تصل إلى 1115%.
الشكل 4: منحنى الدورة ومنحنى المعاوقة يزيدان من بطاريات B2 وB3 عند درجة حرارة عالية
يوضح النموذج الموضح في الشكل 5 التغيرات في القطب الموجب للبطارية عند درجة حرارة عالية تبلغ 120 درجة مئوية. عند 120 درجة مئوية، هاجر جزء من الرابط الإيجابي PVdF من منطقة الجزء 1 إلى سطح القطب الموجب، مما تسبب في انخفاض محتوى الرابط في منطقة الجزء 1، كما قللت مادة NMC النشطة من قدرة التفاعل الكهروكيميائي بسبب لعدم وجود الموثق. في منطقة الجزء 2، هذا الجزء هو الجسم الرئيسي للقطب الموجب، ومحتوى الموثق طبيعي، ودرجة الحرارة المرتفعة لها تأثير ضئيل، ويمكن أن تتفاعل المادة النشطة بشكل طبيعي.
ويمكن رؤية تأثير ارتفاع درجة الحرارة على القطب السالب من خلال تحليل سطح القطب السالب (الشكل 6). تين. يوضح الشكل 6 أ الحالة الأولية للقطب السالب. بعد التدوير عند 85 درجة مئوية، تظهر أطوار الإلكتروليت الصلبة الشائعة على سطح القطب السالب (الشكل 6 ب، سطح القطب السالب مغطى بمواد تم إنشاؤها حديثًا، مما يؤدي إلى ظهور بعض المواد الكروية الصغيرة المختلفة عن الشكل الأولي. SEI: صلب واجهة المنحل بالكهرباء). عندما ترتفع درجة الحرارة عند 120 درجة مئوية، يتم إنشاء المزيد من SEI (الشكل 6ج، السطح السلبي مغطى بمزيد من الجزيئات)، ويتم استهلاك أيونات الليثيوم الأكثر نشاطًا، مما يؤدي إلى انخفاض في السعة.
تين. 6 التغيرات المورفولوجية لسطح القطب السالب
تأثير ارتفاع درجة الحرارة على عمر البطارية
درجة حرارة العمل مرتفعة جدًا: من ناحية، يتسبب المنحل بالكهرباء الذي يقلل الأنود عند إمكانات منخفضة لفترة طويلة في فقدان أيونات الليثيوم النشطة، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء الكهروكيميائي؛ من ناحية أخرى، تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى زيادة التفاعل الجانبي لإلكتروليت اختزال الأنود، وتترسب المنتجات غير العضوية للتفاعل على سطح الأنود، مما يعيق إزالة أيونات الليثيوم ويسرع من شيخوخة البطارية. . عند درجات الحرارة المرتفعة يزداد التفاعل الجانبي للبطارية، مثل أن يتحلل فيلم SEI الموجود على سطح القطب السالب أو ينكسر أو يذوب وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى استهلاك أيونات الليثيوم بشكل مستمر أثناء الدورة عند درجات حرارة عالية، والقدرة تتناقص بسرعة.
أظهرت الدراسات أنه عندما تتجاوز درجة حرارة تشغيل البطارية 40 درجة مئوية، سينخفض عمر دورة البطارية إلى النصف لكل زيادة قدرها 10 درجات مئوية. يتم ترتيب حزمة البطارية بشكل وثيق في حجرة البطارية في مركبة الطاقة الجديدة، ويتسبب تراكم الحرارة الناتج عن البطارية المفردة في اختلاف درجة الحرارة داخل حزمة البطارية، مما يؤدي إلى اختلاف معدلات التوهين للبطارية المفردة، مما يؤدي إلى تدمير هوية البطارية حزمة وتقليل أداء حزمة البطارية.
ترتبط درجة حرارة البطارية بشكل إيجابي مع تيار الشحن والتفريغ. عند إجراء الشحن والتفريغ بتيار صغير، تكون أعلى درجة حرارة لحزمة البطارية في الوضع الذي لا يسهل فيه حدوث التبادل الحراري مع العالم الخارجي؛ عندما يكون شحن وتفريغ تيار كبير أو تصميم هيكل أذن القطب غير معقول، فإن أعلى درجة حرارة لحزمة البطارية تكون في أذن القطب.
لذلك، فإن التصميم العقلاني لنظام تبريد البطارية وفقًا لخصائص بطارية الطاقة وبيئة العمل لا يمكن أن يؤدي فقط إلى تحسين أداء التحمل للمركبة، ولكن أيضًا إلى تحسين سلامة وموثوقية السيارة.
