Assessment of Round-Trip and Coulombic Efficiency in Lithium-Ion Batteries Using a Mathematical Modeling Approach under Variable Operating Conditions
تُطوّر هذه الدراسة وتتحقق تجريبياً من إطار تحليلي يكمّم التطور المقترن لكفاءة كولوم، والاحتفاظ بالسعة، وأداء الرحلة الكاملة في بطاريات ليثيوم أيون تحت ظروف تقادم وحرارية متفاوتة، مما يكشف عن تدهور كبير في الكفاءة إلى جانب فقدان السعة على مدار 1500 دورة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعتمد مليارات البشر يومياً على مصادر طاقة صغيرة وغير مرئية لإبقاء هواتفهم تعمل، وسياراتهم تتحرك، ومنازلهم مضاءة. هذه هي بطاريات الليثيوم أيون، "خيول العمل" القابلة لإعادة الشحن في العالم الحديث. في داخلها، تنتقل جسيمات مشحونة دقيقة تسمى "الأيونات" ذهاباً وإياباً بين طرفي البطارية، حيث تخزن الطاقة عند توصيلها بالكهرباء وتطلقها عند الحاجة إليها. ولكي تكون هذه البطاريات مفيدة، يجب أن تكون كفؤة: إذ يتعين عليها إرجاع قدر يقارب ما استقبلته من طاقة، ويجب أن تحتفظ بتلك الطاقة لفترة طويلة قبل أن تستهلك. ومع ذلك، وكأي آلة، فإن هذه البطاريات لا تدوم للأبد؛ فمع تقادمها واستخدامها المتكرر، تفقد ببطء قدرتها على تخزين الطاقة، وتصبح عملية الشحن والتفريغ أقل مثالية. إن فهم كيفية ولماذا يحدث هذا بدقة أمر بالغ الأهمية، خاصة مع تحول العالم نحو المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق واسل، حيث يمكن أن يعني فشل البطارية توقف سيارة على الطريق السريع أو فقدان مدينة لمصدر طاقتها.
لقد وضع فريق من الباحثين هدفاً لترسيم هذا التدهول البطيء بدقة؛ حيث أرادوا تجاوز مجرد عدّ عدد المرات التي يمكن فيها شحن البطارية قبل أن تنتهي صلاحيتها. وبدلاً من ذلك، قاموا ببناء نموذج رياضي لتتبع مقياسين محددين للصحة: مقدار الطاقة المفقودة أثناء عمليتي الشحن والتفريغ، وإجمالي السعة المتبقية بعد آلاف الدورات. واختبروا أفكارهم باستخدام خلية ليثيوم أيون قياسية بجهد 3.6 فولت، وهي النوع الموجود غالباً في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، عبر إخضاعها لنظام صارم من الشحن والتفريغ. وقد أجروا هذه الدورة 1500 مرة، وهو رقم اختير لمحاكاة سنوات من الاستخدام الكثيف، مع اختبار سلوك البطارية أيضاً في درجات حرارة تتراوح من البرودة القارسة إلى الحرارة الشديدة.
رسمت النتائج صورة واضحة للتقادم. فمع مرور البطارية عبر دورات حياتها، تقلصت قدرتها على الاحتفاظ بشحنة كاملة بشكل ملحوظ. في بداية الاختبار، كانت البطارية قادرة على تقديم حوالي 2.7 أمبير-ساعة من الطاقة، وهو مقياس لسعتها الإجمالية من الطاقة. وبعد 1500 دورة، انخفض هذا الرقم إلى حوالي 1.8 أمبير-ساعة، مما يمثل فقداناً بنسبة 3ست 34 بالمائة من قدرة التخزين الأصلية. والأهم من ذلك، وجد الباحثون أن البطارية أصبحت غير كفؤة بشكل متزايد في نقل تلك الطاقة. ففي البداية، كانت البطارية جيدة جداً في الحفاظ على ما تحصل عليه، حيث كانت تعيد حوالي 90 بالمائة من الشحنة التي استلمتها. وبحلول نهاية الـ 1500 دورة، انخفضت هذه الكفاءة لتصل إلى أقل من 60 بالمائة. وهذا يعني أنه مع تقدم عمر البطارية، فإن جزءاً متزايداً من الكهرباء المدخلة إليها يُفقد ببساء على شكل حرارة أو يُحبس في الداخل، ولا يعود أبداً لتشغيل الجهاز.
كما كشفت الدراسة أن درجة الحرارة تلعب دوراً رئيسياً في هذا التدهور. فعندما اختبر الباحثون البطارية في ظروف دافئة، انخفضت كمية الطاقة التي يمكنها تقديمها بشكل ملحوظ. فحتى دون احتساب الدورات، أدى مجرد رفع درجة الحرارة من صفر درجة مئوية إلى 75 درجة مئوية إلى انخفاض سعة تفريغ البطارية بأكثر من 17 بالمائة. وهذا يشير إلى أن الحفاظ على برودة البطاريات لا يقل أهمية عن عدد مرات استخدامها. كما تتبع الباحثون الوقت المستغرق لإكمال دورة شحن وتفريغ كاملة، ومن المثير للدهشة أن هذا الوقت قصر مع تقدم عمر البطارية. ورغم أن قصر مدة الدورة قد يبدو تحسناً، إلا أنه كان في الواقع علامة على الضعف؛ فبسبب عدم قدرة البطارية على حمل شحنة كبيرة، كانت تمتلئ وتفرغ بسرعة أكبر، مكملة الرحلة الذهاب والإياب في وقت أقل ببساً لأن هناك طاقة أقل ليتم نقلها.
ولضمان دقة نموذجهم الرياضي، قام الفريق ببناء نموذج أولي مادي يحاكي سلوك البطارية في بيئة واقعية. واستخدموا وحدة تحكم دقيقة (microcontroller) لإدارة عمليات الشحن والتفريغ، مع قياس التيار المتدفق للداخل والخارج بدقة عالية. وعندما قارنوا الأرقام من محاكاتهم الحاسوبية بالبيانات المستمدة من أجهزتهم المادية، تطابقت النتائج بشكل وثيق. وقد أكد ذلك أن نموذجهم يمكنه التنبؤ بكيفية أداء البطارية في ظل ظروف مختلفة دون الحاجة لإجراء آلاف الساعات من الاختبارات المادية. يوفر هذا العمل أداة عملية للمهندسين ومديري البطاريات؛ فمن خلال مراقبة مدى كفاءة حركة الطاقة في البطارية وحجم السعة التي تحتفظ بها، يمكن تصميم أنظمة تتنبأ بشكل أفضل بموعد اقتراب البطارية من نهاية عمرها الافتراضي. وهذا أمر حيوي لمستقبل النقل الكهربائي والطاقة المتجددة، حيث يضمن معرفة الصحة الحقيقية للبطارية السلامة والموثوقية لفترة طويلة بعد عملية الشراء الأولية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.