Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

تسافر المركبات الفضائية عبر بيئات معادية لكل ما نعرفه تقريبًا. ففي الصمت العميق للفضاء، يمكن لدرجات الحرارة أن تنخفض إلى مستويات أدنى بكثير من نقطة تجمد الماء، ويجب على البطاريات التي تشغل هذه المهمات أن تنجو من هذا البرد دون أن تتعطل. ولعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على بطاريات مصممة خصيصًا لهذه الظروف القاسية. ومع ذلك، ظهر حل أكثر عملية وفعالية من حيث التكلفة: استخدام نفس بطاريات الليثيوم-أيون عالية الجودة الموجودة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، والمعروفة باسم الخلايا التجارية المتاحة تجاريًا (COTS). هذه البطاريات تُنتج بكميات ضخمة، وهي متسقة للغاية، وتوفر كثافة طاقة مثيرة للإعجاب. ومع ذلك، فإنها تأتي مع عقبة؛ فهي مصممة ليتم شحنها في درجات حرارة معتدلة، وعندما تُجبر على العمل في برد الفضاء القارس، يمكن أن تحدث عملية كيميائية خطيرة داخلها. فعندما يتم شحن بطارية الليثيوم-أيون في البرد، يمكن لأيونات الليثيوم أن تلتصق بسطح القطب السالب بدلًا من الغوص فيه. وهذا يخلق طبقة من الليثيوم المعدني، وهي ظاهرة تسمى "ترسيب الليثيوم" (lithium plating). هذا التراكم ليس مجرد علامة على التآكل فح، بل يمكن أن يؤدي إلى تلف دائم في سعة البطارية، وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي إلى مخاطر تتعلق بالسلامة مثل الدوائر القصيرة أو الحرائق.

لقد شرع فريق من الباحثين في محاولة فهم كيفية منع هذا الترسيب الخطير في بطارية تجارية محددة واسعة الاستخدام، وهي (LG Chem HG2)، عندما تتعرض لظروف التجمد في الفضاء. وركزوا على سؤال بسيط: هل الطريقة التي تُعامل بها البطارية قبل أن تصبح باردة تفرق؟ وتحديدًا، أرادوا معرفة ما إذا كان تسخين البطارية وشحنها بشكل متكرر قبل إرسالها إلى البرد سيجعلها أكثر مقاومة للترسيب مقارنة بتركها ببساطة في الدفء أو إرسالها مباشرة إلى البرد. ولإيجاد الإجابة، جمعوا بين التجارب الواقعية والمحاكاة الحاسوبية القوية التي يمكنها النظر داخل البنية المجهرية للبطارية. وكشفت النتائج عن حقيقة مذهلة حول كيف أن الحالة الداخلية للبطارية، وليس مجرد حالة سطحها، هي التي تحدد قدرتها على النجاة في البرد.

اختبر الباحثون ثلاث مجموعات مختلفة من هذه البطاريات التجارية لمعرفة كيف ستتصرف عند درجة حرارة 20 تحت الصفر مئوية. خضعت المجموعة الأولى لمرحلة "تكييف مسبق" (preconditioning) حيث تم شحنها وتفريغها بشكل متكرر لمدة أسبوعين عند درجة حرارة دافئة تبلغ 30 درجة مئوية. أما المجموعة الثانية، فقد تم تخزينها ببساطة في تلك الدرجة الدافئة نفسها لنفس المدة دون شحنها أو تفريغها. بينما لم تتلقَ المجموعة الثالثة أي معالجة خاصة؛ حيث أُخذت مباشرة من درجة حرارة الغرفة ووُضعت في البرد للاختبار. وبعد هذه الخطوات الأولية، خضعت جميع البطاريات لنفس اختبار الدورات الصارم عند درجة حرارة 20 تحت الصفر مئوية. وكان الهدف هو مراقبة علامات ترسيب الليثيوم، والتي غالبًا ما تظهر من خلال تغيرات محددة في جهد البطارية أثناء التفريغ.

كانت النتائج واضحة ومتميزة. أظهرت البطاريات التي تم تخزينها في الدفء أو التي أُرسلت مباشرة إلى البرد علامات قوية على ترسيب الليثيوم. فعند تفريغ هذه البطاريات، أظهرت منحنيات الجهد الخاصة بها هضابًا (plateaus) محددة، وأشار تحليل تغيرات الجهد إلى أن الليثيوم المعدني قد تشكل ويتم تجريده بعيدًا. وهذه علامة على التدهور والخطر المحتمل. في المقابل، لم تظهر البطاريات التي تم تكييفها مسبقًا عن طريق تدويرها في درجة الحرارة الدافئة أي علامات من هذا القبيل؛ فقد عملت دوراتها بكفاءة أكبر، وحافظت على سعتها بشكل أفضل، ولم تظهر أي دليل على تراكم الليثيوم الخطير. وأشارت البيانات إلى أن عملية شحن وتفريغ البطارية وهي دافئة قد غيرت سلوكها بشكل جوهي، مما جعلها أكثر مرونة عندما واجهت البرد في نهاية المطاف.

لفهم سبب حدوث ذلك، لجأ الباحثون إلى نموذج حاسوبي متطور. لقد بنوا "توأمًا رقميًا" للبطارية، باستخدام صور ثلاثية الأبعاد مفصلة لبنية القطب المجهرية مأخوذة بواسطة ماسح ضوئي عالي الدقة. سمح لهم ذلك بمحاكاة حركة الأيونات والإلكترونات داخل البطارية بدقة متناهية. وتتبعت المحاكاة عاملًا رئيسيًا يسمى "الجهد الزائد" (overpotential)، وهو في الأساس الضغط الكهربائي الإضافي المطلوب لدفع التفاعلات الكيميائية للأمام. فإذا انخفض هذا الضغط كثيرًا، ستستقر أيونات الليثيوم على السطح كمعدن بدلًا من دخول القطب. وأكدت المحاكاة أن البطاريات التي تم تكييفها مسبقًا كانت تمتلك مقاومة أعلى لظروف الترسيب هذه مقارنة بالبطاريات الأخرى.

ثم تعمق البحث في البحث عن السبب الجذري لهذا الاختلاف. قد يفترض المرء أن التدوير الدافئ قد غير الغطاء الفيزيائي على القطب، المعروف باسم "الطور البيني بين الإلكتروليت والصلب" (solid-electrolyte interphase)، مما جعله أكثر قوة. ومع ذلك، أظهرت المحاكاة أن سمك وتكوين هذا الغطاء لم يكونا المحركين الأساسيين لهذا الاختلاف. وبدلاً من ذلك، كان العامل الرئيسي هو "حالة الشحن" للبطارية (state of charge) — أي مقدار الطاقة المخزنة داخلها — في اللحظة التي دخلت فيها البرد. فالبطاريات التي تم تكييفها مسبقًا عن طريق التدوير انتهت بحالة شحن مختلفة عن تلك التي تم تخزينها أو التي تركت دون معالجة. فعندما بردت البطاريات التي تم تكييفها مسبقًا، بدأت دورتها الباردة بمستوى أعلى من الطاقة المخزنة. وهذه نقطة البداية الأعلى تعني أنه خلال عملية الشحن الأولى في البرد، تمكنت أيونات الليثيوم من التحرك بحرية أكبر والاستقرار بشكل صحيح داخل القطب، بدلًا من العلوق على السطح. أما البطاريات التي بدأت بمستوى شحن أقل فقد عانت، مما أدى إلى الظروف التي تحبذ الترسيب.

كما لاحظ الباحثون أنه بينما استطاعت نماذجهم الحاسوبية تفسير سبب أداء البطاريات المكيّفة مسبقًا بشكل أفضل في الدورات الأولى، إلا أنها لم تستطع تفسير سبب استمرار تدهور البطاريات الأخرى بمرور الوقت. فقد أظهرت النماذج أن ميل الترسيب يجب أن يستقر، لكن التجارب أظهرت أن الضرر يزدهاد سوءًا مع زيادة الدورات. وهذا يشير إلى أنه بمجرد حدوث الترسيب الأولي، فإنه يطلق سلسلة من التغييرات الفيزيائية — ربما شقوق في الغطاء الواقي أو تحولات هيكلية أخرى — التي لا تلتقطها النماذج الحالية بعد. وتبرز هذه الفجوة بين المحاكاة والبيانات الواقعية مدى تعقيد كيمياء البطاريات والحاجة إلى مواصلة البحث.

في النهاية، يقدم هذا العمل خارطة طريق عملية لاستخدام البطاريات التجارية في الفضاء. فهو يوضح أن روتينًا بسيطًا للتدفئة يتضمن الشحن والتفريغ المتكرر يمكن أن يحسن بشكل كبير قدرة البطارية على البقاء في درجات الحرارة المتجمدة. ومن خلال ضمان بدء البطارية لرحلتها الباردة في حالة الشحن الصحيحة، يمكن للمهندسين تجنب التراكم الخطير لليثيوم المعدني. ويعد هذا الاكتشاف أمرًا بالغ الأهمية لمهمات الفضاء المستقبلية، حيث تكون موثوقية أنظمة الطاقة مسألة حياة أو موت. وتؤكد الدراسة أنه على الرغم من أن هذه الخلايا التجارية لم تُصمم أصلاً للبرد القارس، إلا أنه مع التحضير الصحيح، يمكن تطويعها لتعمل بأمان وفعالية في واحدة من أقسى البيئات التي يمكن تخيلها.