1. تأثير انخفاض درجة حرارة البطارية على سعة تفريغ البطارية
تُعدّ السعة من أهمّ خصائص بطاريات الليثيوم، وتتغيّر قيمتها بتغيّر درجة الحرارة. يُمثّل المنحنيان في الشكل أدناه منحنيات السعة الحرارية التي تمّ الحصول عليها بتفريغ البطارية بمعدل 0.1C و0.3C عند درجتي حرارة مختلفتين.
من البديهي أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد السعة تدريجيًا. تبلغ السعة عند -20 درجة مئوية حوالي 60% فقط من السعة عند 15 درجة مئوية. بالإضافة إلى السعة، ينخفض جهد الدائرة المفتوحة للبطارية مع ارتفاع درجة الحرارة. وكما هو معروف، فإن الطاقة المخزنة في البطارية هي حاصل ضرب السعة في جهد طرفيها. وعندما ينخفض كلا المضاعفين، فإن الطاقة المخزنة في البطارية تكون محصلة هذين الانخفاضين.
عندما تكون درجة حرارة البطارية منخفضة، ينخفض نشاط مادة القطب الموجب، مما يقلل من عدد أيونات الليثيوم التي يمكنها التحرك وتوليد تيار التفريغ، وهو السبب الأساسي لانخفاض السعة.
2. تأثير انخفاض درجة حرارة البطارية على المقاومة الداخلية للبطارية
يوضح الشكل أدناه العلاقة بين درجة حرارة بطارية الليثيوم ومقاومتها. تمثل المنحنيات المختلفة مستويات شحن مختلفة للبطارية. في أي حالة شحن، تزداد المقاومة الداخلية للبطارية بشكل ملحوظ مع انخفاض درجة الحرارة. كلما انخفض مستوى الشحن، زادت المقاومة الداخلية، ويبقى هذا الاتجاه ثابتًا بغض النظر عن تغيرات درجة الحرارة.
عندما تكون درجة حرارة البطارية منخفضة، يضعف انتشار وحركة الأيونات المشحونة في مواد القطب الموجب والسالب، ويصعب عليها اختراق طبقة التخميل بين القطب والإلكتروليت. كما تنخفض سرعة انتقالها في الإلكتروليت، ويتولد قدر كبير من الحرارة أثناء عملية الانتقال.
بعد وصول أيونات الليثيوم إلى القطب السالب، يصبح انتشارها داخل مادة القطب السالب غير منتظم. وخلال هذه العملية، تصبح حركة الأيونات المشحونة صعبة للغاية. وهذا يعني، من الخارج، زيادة المقاومة الداخلية لخلية البطارية.
3. تأثير انخفاض درجة حرارة البطارية على كفاءة شحن وتفريغ البطارية
المنحنى التالي يوضح تغير كفاءة الشحن مع درجة الحرارة. نلاحظ أن كفاءة الشحن عند -20 درجة مئوية لا تتجاوز 65% من كفاءتها عند 15 درجة مئوية.
يؤدي انخفاض درجة حرارة البطارية إلى تغييرات في الخصائص الكهروكيميائية المذكورة أعلاه، وتزداد المقاومة الداخلية بشكل ملحوظ. وخلال عملية التفريغ، تُستهلك كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية في المقاومة الداخلية، مما يُولد حرارة.
تقنية التسخين المسبق لبطاريات الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة
في ظل القيود المفروضة على استخدام بطاريات الليثيوم عند انخفاض درجة حرارتها، وجد الفنيون حلاً بديلاً يتمثل في الشحن والتسخين المسبق. ورغم أنه حل مؤقت، إلا أنه يُحسّن بشكل ملحوظ من سعة التفريغ وعمر بطاريات الليثيوم على المدى الطويل.
قبل شحن بطاريات الليثيوم أو استخدامها في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة، يجب تسخين البطارية مسبقًا. ويمكن تقسيم طريقة تسخين البطارية بواسطة نظام إدارة البطارية (BMS) إلى فئتين رئيسيتين: التسخين الخارجي والتسخين الداخلي.
بالمقارنة مع طرق التسخين الخارجية، يتجنب التسخين الداخلي انتقال الحرارة لمسافات طويلة وتكوّن بقع ساخنة موضعية بالقرب من جهاز التسخين. ونتيجة لذلك، يُسخّن التسخين الداخلي البطارية بشكل أكثر تجانسًا، مما يُحسّن كفاءة التسخين ويجعله أسهل في التطبيق.
