في فصل الشتاء، تُعد مشكلة انخفاض مدى سير المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة بعد الشحن الكامل من أكبر المشاكل التي تواجه مالكيها؛ حيث تكافح أجهزة تخزين الطاقة الخارجية حتى لضمان إمدادات الطاقة الأساسية.
هذا ليس "تقادمًا" للبطارية أو مشكلة في الجودة، بل هو "رد فعل طبيعي" لبطاريات الليثيوم في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة - فدرجات الحرارة المنخفضة تؤدي مباشرة إلى تدهور السعة وانخفاض الأداء في بطاريات الليثيوم.
لفهم مبدأ تدهور البطارية، دعونا أولاً نفهم بإيجاز منطق عمل بطارية الليثيوم.
يكمن جوهر قدرة بطارية الليثيوم على توفير الطاقة في "عملية نقل أيونات الليثيوم":
أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم (Li⁺) من القطب الموجب إلى القطب السالب، حيث تُخزَّن في القطب السالب المصنوع من الجرافيت. وأثناء التفريغ، تعود هذه الأيونات من القطب السالب إلى القطب الموجب. وفي هذه الرحلة ذهابًا وإيابًا، تتدفق الإلكترونات مولدةً التيار الكهربائي ومُشغِّلةً الجهاز. تُشبه هذه العملية مجموعة من "الناقلين" الدؤوبين، الذين يتنقلون ذهابًا وإيابًا لنقل الطاقة، حيث يعمل الإلكتروليت كقناة نقل، والأقطاب الكهربائية كمحطات تحويل.“
في الظروف العادية (درجة حرارة الغرفة 20-25 درجة مئوية)، تكون هذه "الناقلات" مليئة بالطاقة وتتحرك بسلاسة، مما يسمح للبطارية بإخراج الطاقة بثبات. ومع ذلك، بمجرد انخفاض درجة الحرارة، وخاصةً ما دون الصفر المئوي، تصبح هذه "الناقلات" بطيئة أو حتى تتوقف عن العمل، وهو السبب الرئيسي لتدهور البطارية.
المبادئ الأساسية: ثلاثة تحديات تواجه بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المنخفضة
التحدي الأول: "تجميد" الإلكتروليتات، انسداد قنوات النقل
يُعدّ الإلكتروليت بمثابة "قناة نقل" لأيونات الليثيوم، وهو بمثابة "الأوعية الدموية" في بطارية الليثيوم. وتحدد سيولته سرعة انتقال أيونات الليثيوم بشكل مباشر. تزداد لزوجة الإلكتروليت بشكل حاد مع انخفاض درجة الحرارة، تمامًا كما يزداد سمك الماء ويتجمد عند البرودة. عند درجات الحرارة المنخفضة، يصبح الإلكتروليت لزجًا، بل ويتجمد جزئيًا، مما يقلل بشكل كبير من سرعة توصيل الأيونات، وفي بعض الحالات، قد "يسدّ" القنوات تمامًا.
يشبه هذا طريقًا واسعًا وناعمًا يتحول فجأة إلى طريق موحل؛ وتكافح "الناقلات" (أيونات الليثيوم) للتحرك، وتنخفض كفاءتها بشكل كبير، وينخفض إنتاج الطاقة للبطارية بشكل طبيعي.
التحدي الثاني: تصبح أيونات الليثيوم خاملة، ويصبح الدخول والخروج من محطات النقل صعباً
يُشبه القطبان الموجب والسالب في بطارية الليثيوم "محطات نقل" لأيونات الليثيوم. أثناء الشحن، تحتاج أيونات الليثيوم إلى التغلغل في القطب السالب، وأثناء التفريغ، تحتاج إلى الخروج منه. تتطلب هذه العملية التغلب على "مقاومة" معينة، تُعرف عادةً باسم "معاوقة نقل الشحنة". وفقًا لمعادلة أرهينيوس، كلما انخفضت درجة الحرارة، تباطأ معدل التفاعل الكيميائي، وانخفضت كفاءة إدخال أيونات الليثيوم وإخراجها، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في معاوقة نقل الشحنة. ببساطة، تجعل درجات الحرارة المنخفضة أيونات الليثيوم "خاملة"؛ فحتى لو لم تكن القنوات مسدودة تمامًا، فإنها لا تبذل الجهد الكافي للدخول إلى "محطة النقل" أو الخروج منها، مما يجعل بعض أيونات الليثيوم غير قادرة على المشاركة في نقل الطاقة، وبالتالي تقليل سعة البطارية.
التحدي الثالث: يصبح غشاء SEI "أكثر سمكًا"، وقد تنمو "التشعبات الخطيرة".
أثناء الشحن الأول لبطارية الليثيوم، تتشكل طبقة رقيقة من طبقة التفاعل بين الإلكتروليت الصلب والقطب السالب (SEI). تعمل هذه الطبقة كدرع واقٍ، مانعةً تفاعل الإلكتروليت مع القطب السالب، بينما تسمح لأيونات الليثيوم بالمرور بسلاسة، وهو أمر بالغ الأهمية لعمر البطارية. مع ذلك، قد تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى تلف هذا الدرع الواقي: فمن جهة، تُقلل درجات الحرارة المنخفضة من استقرار طبقة SEI، مما يتسبب في تكسر بعض مكوناتها وزيادة مقاومة مرور أيونات الليثيوم؛ ومن جهة أخرى، أثناء الشحن في درجات حرارة منخفضة، لا يستطيع معدل اندماج أيونات الليثيوم في القطب السالب مواكبة معدل الترسيب، فتترسب أيونات الليثيوم الزائدة على سطح القطب السالب، مكونةً ما يُعرف بـ"التشعبات الليثيومية". في الوقت نفسه، تترسب نواتج تفاعل الليثيوم مع الإلكتروليت على طبقة SEI، مما يزيد من سمكها ويعيق انتقال أيونات الليثيوم. الأخطر من ذلك هو استمرار نمو التشعبات الليثيومية، فبمجرد اختراقها لطبقة SEI وفاصل البطارية، ستتسبب في حدوث ماس كهربائي مباشر بين القطبين الموجب والسالب، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية وانتفاخها، بل وحتى احتراقها أو انفجارها. هذا هو السبب الرئيسي لمخاطر السلامة المرتبطة بالشحن في درجات حرارة منخفضة. علاوة على ذلك، فإن زيادة سمك طبقة SEI عملية لا رجعة فيها. الاستخدام طويل الأمد في بيئات منخفضة الحرارة سيقلل بشكل كبير من عمر البطارية الافتراضي؛ فالبطارية التي كان من الممكن أن تعمل 1000 دورة شحن وتفريغ قد لا تعمل إلا حوالي 500 دورة فقط مع الاستخدام طويل الأمد في درجات حرارة منخفضة، مما يجعلها تدخل في مرحلة "التقادم" قبل الأوان.“
التمييز الرئيسي: التدهور في درجات الحرارة المنخفضة - قابل للعكس أم غير قابل للعكس؟
يخشى الكثيرون من أن يؤدي استنزاف البطارية السريع في الشتاء إلى تلفها بشكل دائم. لا داعي للقلق المفرط. ينقسم تدهور بطاريات الليثيوم الناتج عن انخفاض درجة الحرارة إلى فئتين: تدهور قابل للعكس وتدهور غير قابل للعكس، وهما يختلفان اختلافًا كبيرًا.
يُعدّ التدهور العكوس النوع الأكثر شيوعًا، وينتج أساسًا عن انخفاض درجات الحرارة الذي يزيد من لزوجة الإلكتروليت، ويُبطئ من هجرة أيونات الليثيوم، ويزيد من مقاومة نقل الشحنة. يُشبه هذا النوع من التدهور حالة "السبات"؛ فبمجرد نقل البطارية إلى درجة حرارة الغرفة (20-25 درجة مئوية) وتركها لفترة من الزمن، يستعيد الإلكتروليت سيولته، وتستعيد أيونات الليثيوم نشاطها، وتعود سعة البطارية وأداؤها إلى مستوياتهما الطبيعية تقريبًا، دون التأثير على عمر البطارية.
أما التدهور غير القابل للعكس، فيحدث أساسًا نتيجةً للشحن والتفريغ المطوّلين في درجات حرارة منخفضة، مما يؤدي إلى زيادة سُمك طبقة SEI بشكل مفرط، ونموّ التشعبات الليثيومية، أو التحلل غير القابل للعكس للإلكتروليت. هذا النوع من التدهور دائم، تمامًا كحالة "تلف" البطارية. حتى بعد عودتها إلى درجة حرارة الغرفة، لا يمكن استعادة سعتها بالكامل، ومع مرور الوقت، يُسرّع من شيخوخة البطارية.
