قسمت هفتم دوره آنلاین
ویدیو قسمت هفتم دوره آنلاین
درون باتری یک خودرو الکتریکی چیست؟
در این بخش نگاهی به درون باتری می‌اندازیم تا ببینیم چه پارامتر‌های میکروسکوپی کارایی یک باتری را تعیین می‌کنند.
برای این کار کارکرد یک باتری یونی را در ابعاد اتمی در نظر می‌گیریم که در آن گرافیت الکترود منفی و اکسید کبالت لیتیوم الکترود مثبت است که در سال ۱۹۹۱ تجاری سازی شد. لیتیم میتواند بین لایه‌های گرافن در گرافیت و لایه‌های اکسید کبالت نگه داری و ذخیره شود. پیوند لیتیم در گرافیت به نسبت ضعیف تر از پیوند آن در LCO)Lithium cobalt oxide) یا الکترود مثبت است که نتیجه‌ی آن نیروی محرکه شیمیایی برای حرکت لیتیوم از گرافیت به سمت LCO است که خود را با عنوان ولتاژ باتری بیان میکند. این نیروی محرکه سبب تخلیه باتری می‌شود اگر یون‌های لیتیوم بتوانند از طریق الکترولیت از قطب مثبت به قطب منفی حرکت کنند. الکترولیت تنها اجازه‌ی عبور یون‌های لیتیوم که بار اضافی مثبت دارند را می‌دهد. بنابراین تخلیه شارژ نیاز به این دارد که الکترون‌ها از یک مدار خارجی عبور کنند. تنها زمانی که مدار خارجی بسته باشد جریان الکتریکی میتواند حرکت کند. حین تخلیه شارژ الکترود منفی به دلیل اکسایش گرافیت الکترون تولید میکند که در این صورت الکترود منفی آند نامیده می‌شود. در الکترود مثبت الکترون‌ها مصرف می‌شوند که به دلیل واکنش کاهش در LCO است که در این صورت الکترود مثبت کاتد نامیده می‌شود. شارژ کردن باتری با اعمال جریانی خلاف جهت تخلیه شارژ حاصل می‌شود که به ولتاژی بیشتر از ولتاژ مدار باز باتری نیاز دارد. این امر سبب بازگشت الکترون‌ها از طریق مدار خارجی از الکترود مثبت به الکترود منفی می‌شود. در اینجا تولید و مصرف الکترون و همچنین آند و کاتد طی شارژ و تخلیه شارژ برعکس شده‌اند.
واکنش داخلی
حال می‌خواهیم خواص اتمی مواد الکترود را به کارکرد میکروسکوپی باتری‌ها ارتباط دهیم. ابتدا با ظرفیت، ولتاژ و دانسیته انرژی شروع می‌کنیم. واکنشهای شیمیایی که درون باتری اتفاق می‌افتد شامل جابجایی الکترون‌ها است که واکنشهای اکسایش-کاهش نامیده می‌شوند. از واکنشهای اکسایش-کاهش باتری‌ها می‌توان ظرفیت الکترودها را محاسبه کرد.
در اینجا واکنشهای اکسایش-کاهش را در هردو الکترود مشاهده می‌کنید که به سمت راست تخلیه باتری را نشان می‌دهد. این‌ها واکنشهای ورودی نامیده می‌شوند زیرا یون‌های لیتیوم به درون مواد میزبان در الکترود مثبت و منفی وارد می‌شوند. راهکار محاسبه ظرفیت و دانسیته انرژی باتری به صورت زیر است. فرض کنید نیاز داریم ۱ مول یون لیتیم ذخیره کنیم بنابراین ظرفیت برابر خواهد بود با ثابت فارادی یعنی ۹۶۵۰۰ کولمب. برای ذخیره کردن این ظرفیت در باتری یون لیتیومی می‌توانیم تعداد مول‌های الکترود را از واکنشهای اکسایش-کاهش و و از جرم الکترود محاسبه کنیم. ظرفیت تقسیم بر وزن الکترود ظرفیت ویژه است و از آنجایی که آند و کاتد ظرفیت ویژه ی متفاوتی دارند جرم آند و کاتد متفاوت خواهد بود.
دانسیته انرژی
به یاد داریم که دانسیته انرژی از تقسیم ظرفیت بر ولتاژ میانگین حاصل می‌شود. بنابراین دانسیته انرژی تئوری هر دو الکترود برابر است با تقسیم ظرفیت بر ولتاژ میانگین که توسط جرم کلی دو الکترود تقسیم شده است. دانسیته انرژی تجربی کل باتری بسیار کوچک‌تر است تقریبا ٪۳۰ دانسیته انرژی تئوری و دلیل آن وزن مواد غیر فعال مثل الکترولیت و پکینگ یا بسته بندی باتری است. هم ظرفیت ویژه و هم پتانسیل میانگین مواد الکترود موجود شناخته شده‌اند که محاسبه دانسیته انرژی هر ترکیبی از الکترودها را ممکن می‌سازد. پتانسیل مواد الکترود معمولا به فلز لیتیوم مرجع داده می‌شوند. پتانسیل فلز لیتیم به راحتی صفر و به عنوان الکترود مرجع در نظر گرفته می‌شود که هیچ نتیجه ای ندارد زیرا ولتاژ باتری همواره تفاوت بین پتانسیل الکترودها است.
در مرحله ی بعدی باید ببینیم چه چیزی مقاومت داخلی و دانسیته قدرت را تعیین میکند که به طور مثال زمان شارژ شدن را تعیین میکند. در نتیجه‌ی مقاومت داخلی باتری ولتاژ باتری با جریان شارژ افزایش می‌یابد و با جریان تخلیه شارژ کاهش می‌یابد. نتیجه این است که بازدهی انرژی با افزایش جریان کاهش می‌یابد و در نتیجه ی آن گرمای بیشتری در باتری تولید می‌شود.
دانسیته انرژی و دانسیته قدرت
نگاهی به درون باتری‌ها مشخص میکند که چهار منبع اصلی برای مقاومت داخلی باتری وجود دارد. انتقال یون‌های لیتیوم از درون الکترولیت، جابجایی شارژ یون‌های لیتیوم به سمت مواد الکتروها، حرکت یون‌های لیتیوم درون مواد الکترودها و در نهایت هدایت الکترون‌ها بین مواد الکترودها و جمع کننده ی جریان. در بسیاری از موارد انتقال یون‌های لیتیوم از درون الکترولیت به حفرات الکترودها بر موارد دیگر غلبه میکند و تعیین کننده مقاومت داخلی می‌شود و زمان تخلیه شارژ و دانسیته قدرت را تعیین میکند. یکی از راه‌های بهبود انتقال یون‌های لیتیوم از درون الکترولیت به سمت الکترودها این است که الکترودها تخلخل بیشتری داشته باشند. اگرچه این موضوع مواد الکترود را کاهش می‌دهد که ظرفیت ویژه الکترود را کاهش می‌دهد و این موضوع دانسیته انرژی باتری را به طور موثری کاهش می‌دهد. یک راه حل دیگر این است که الکترود‌هارا نازک تر بسیازیم که این هم سبب کاهش مواد الکترود و کاهش دانسیته انرژی می‌شود. به طور موثری هر دو استراتژی دانسیته قدرت را افزایش می‌دهند که سبب کاهش زمان شارژ می‌شود اما هر دو به هزینه کاهش دانسیته انرژی. به عنوان نتیجه باتری یون لیتیومی طراحی شده برای دانسیته قدرت بالاتر الکترودهای نازک تری در مقایسه با نمونه طراحی شده برای دانسیته انرژی بالاتر خواهد داشت. در تصویر، شکل سمت چپ باتری دانسیته قدرت بالاتر و شکل سمت راست مربوط به باتری با دانسیته انرژی بالاتر است.
در قدم بعدی پتانسیل را دلیلی برای محدود بودن عمر باتری در نظر میگیرم که این عمر تعداد دفعاتی است که باتری میتواند شارژ و تخلیه شارژ شود. الکترولیت درون باتری در معرض واکنشهای اکسایش-کاهش پتانسیل دو الکترود است. اگر الکترولیت توسط این پتانسیل‌ها دچار اکسایش یا کاهش شود نشان می‌دهد که الکترولیت به اجزای دیگری تجزیه شده است که ممکن است در الکترولیت غیر قابل حل باشند و اغلب در جهتی با لیتیوم پیوند برقرار کنند که دیگر فعال نباشد. در نتیجه ی این پدیده مقداری از ظرفیت به طور برگشت ناپذیری از بین می‌رود و بخشی از الکترولیت تجزیه می‌شود که فاکتور‌های اصلی هستند که عمر باتری را محدود می‌کنند. برای ولتاژهای بالای باتری‌های یون لیتیومی الکترولیت‌های پایدار ارگانیک توسعه یافته اند. با نشان دادن پایداری الکترولیت و پتانسیل الکترودها در یک نمودار می‌توانیم که کدام الکترودها در محدوده ی پایداری الکترولیت قرار می‌گیرند. اگرچه همیشه ضروری نیست که برای رسیدن به عمر طولانی باتری پتانسیل الکترودها در محدوده پایداری قرار گیرد.
مشاهده می‌کنیم که در گرافیت، پتانسیل پایین‌تر از مقداری است که الکترولیت اجازه می‌دهد از این رو الکترودهای گرافیتی منفی سبب کاهش الکترولیت می‌شوند. با این حال گرافیت رایج ترین الکترود منفی است که در باتری‌ها به کار گرفته می‌شود. این پدیده چگونه عمل میکند؟ بسته به الکترولیت، کاهش آن سبب تولید محصولات جامدی روی سطح گرافیت می‌شود. این فیلم سطحی تحت عنوان فاز جامد میانی الکترولیت (Solid electrolye interphase or SEI) شناخته می‌شود. SEI برای محافظت از الکترولیت باقی مانده در برابر پتانسیل الکترود گرافیتی نباید الکترون‌ها را عبور دهد. در این مورد تجزیه الکترولیت کاهش یافته است. چیزی شبیه به لایه اکسیدی آلومینیم که از اکسید شدن بیشتر آلومینیم جلوگیری میکند.
SEI باید حین شارژ و تخلیه شارژ یون‌ها را منتقل کند تا انتقال ضروری یون‌های لیتیوم صورت گیرد. الکترولیت‌ها برای رسیدن به یک SEI که عایق الکترون‌ها باشد و یون‌ها را منتقل کنند و برای رسیدن به عمر کاری بالاتر بهینه شده اند. یکی دیگر از مواردی که میتواند عمر باتری‌های یون لیتیومی را کاهش دهد تغییر حجم مداوم حین ورود و خروج لیتیم در زمان فعالیت باتری است. این پدیده میتواند در زمان‌های بیشتر سبب ایجاد ترک در الکترودها شود که نتیجه ی آن میتواند جدا شدن مواد الکترودها از جمع کننده جریان و در نتیجه غیر فعال شدن آن و کاهش ظرفیت باتری باشد. بسته به ماده الکترود تغییرات ساختاری بزرگ نقش مهمی را در عمر باتری‌های یون لیتیومی ایفا میکند.
شرایط کارکرد
علاوه بر این شرایطی که باتری یون لیتیومی در آن کار میکند تاثیر زیادی بر عمر باتری می‌گذارد. دمای بالاتر تجزیه الکترولیت را افزایش می‌دهد. دمای بالا هم میتواند ناشی از دمای محیط خارجی باشد و هم میتواند ناشی از توسعه گرمایی درون باتری ناشی از مقاومت داخلی باشد. این امر ممکن است به خنک کننده‌هایی برای اطمینان از عمر طولانی تر باتری داشته باشد. دمای پایین مقاومت داخلی را افزایش می‌دهد که در نتیجه دانسیته انرژی و قدرت را کاهش می‌دهد اما فقط زمانی که در دمای پایین نگه داشته شود.
نتیجه گیری قسمت هفتم دوره آنلاین
باتری‌های خودرو‌های الکتریکی برای رسیدن به یک پک باتری از تعداد زیادی سلول‌های متصل به هم تشکیل شده اند. برای رسیدن به عمر کاری بیشتر، ایمنی و کارایی بهینه، توزیع جریان و ظرفیت باید در سلول‌های منفرد تنظیم شود که با سیستم مدیریت ااکترونیکی باتری یا BMS می‌توان به آن دست پیدا کرد. BMS به طور پیوسته بر ولتاژ، حالت شارژ و جریان هر سلول منفرد نظارت میکند و میتواند تنظیم کند که که هر سلول منفرد چگونه شارژ و تخلیه شارژ شود. یکی از مهم ترین نقش‌های BMS این است که حالت شارژ هر سلول را متعادل کند. این امر از اینکه هر سلولی در حالت بالا یا پایینی از شارژ قرار داشته باشد جلوگیری میکند که پتانسیل‌های بالایی به الکترولیت اعمال میکند. همانطور که بحث شد این میتواند سبب تخریب الکترولیت شود که یکی از مهم ترین عوامل کاهش عمر باتری است. چند راه برای متعادل کردن وجود دارد که یک روش آن انتقال انرژی از یک سلول با شارژ بالاتر به یک سلول با شارژ پایین تر است. در این روش BMS برای رسیدن به عمر طولانی باتری ضروری است.
برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید
