تحليل متعمق لخصائص الجهد الكهربائي لبطارية الليثيوم أيون

تُعد بطاريات الليثيوم أيون ضرورية في أنظمة تخزين الطاقة الحديثة، وتستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المحمولة والمركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة. يعد فهم خصائص الجهد لبطاريات الليثيوم أيون أمرًا حيويًا لتحسين أدائها وطول عمرها. وتلعب معلمات الجهد الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون، بما في ذلك جهد المنصة والجهد المتوسط ومتوسط الجهد وجهد القطع، أدوارًا حاسمة أثناء دورات الشحن والتفريغ. تقدم هذه المقالة تحليلاً مفصلاً لهذه المعلمات وتأثيرها على أداء البطارية.

1. جهد المنصة

يشير جهد المنصة إلى قيمة الجهد حيث يكون التغير في الجهد ضئيلاً، بينما تتغير السعة بشكل كبير. تُظهر البطاريات التي تحتوي على مواد مثل فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄) وتيتانات الليثيوم (Li₄Ti₅O₁₂) جهد منصة واضح، يمكن تحديده بسهولة على منحنى الشحن والتفريغ. بالنسبة لأنواع البطاريات الأخرى، يكون جهد المنصة أقل وضوحًا، ويمكن تحديده من خلال الحسابات التفاضلية (قمم dQ/dV) أثناء الاختبار.

2. جهد متوسط المدى

يتوافق الجهد المتوسط المدى مع قيمة الجهد عندما تكون سعة البطارية عند 50%. بالنسبة للمواد ذات جهد المنصة الواضح، مثل LiFeFePO₄₄₄ و Li₄Ti₅O₁₂₂، يتطابق جهد متوسط المدى بشكل عام مع جهد المنصة. إنها معلمة أساسية لتقييم أداء البطارية أثناء الاستخدام.

3. متوسط الجهد

يتم حساب متوسط الجهد بقسمة المساحة الفعالة تحت منحنى الجهد-السعة على السعة. يوفر متوسط ناتج الطاقة ويستخدم لتقدير كثافة الطاقة. والصيغة هي كما يلي: U‾= ∫ U(t)⋅ I(t)dt)∫ I(t)dt)dt= \frac{\int U(t)\cdot I(t)dt}{\int I(t) dt}U= ∫ I(t)dt= ∫ I(t)dt

يتم تقدير كثافة الطاقة أيضًا باستخدام متوسط الجهد: كثافة الطاقة= السعة×U‾ كتلة البطارية أو حجمها \\نص{كثافة الطاقة} = \\فراك{النص{{{السعة}

4. جهد القطع

يحدد جهد القطع الحد الأدنى للجهد المسموح به أثناء التفريغ والحد الأقصى للجهد المسموح به أثناء الشحن. يمكن أن يؤدي تجاوز هذه الحدود إلى الإفراط في التفريغ أو الشحن الزائد، مما يؤدي إلى إتلاف البطارية وتقليل عمرها الافتراضي.

5. أساسيات جهد البطارية

يتم تحديد جهد بطارية الليثيوم أيون من خلال فرق الجهد بين القطبين الموجب والسالب، والذي يتغير أثناء دورات الشحن والتفريغ. وتتأثر هذه التغيرات بالمواد المستخدمة وإمكانات الأقطاب الكهربائية الخاصة بكل منها.

6. جهد الدائرة المفتوحة

يشير جهد الدائرة المفتوحة إلى فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية عندما لا يتدفق تيار. ويُستخدم لتوصيف حالة توازن البطارية ويمكن قياسه من خلال إعداد نصف خلية باستخدام فلز الليثيوم.

7. استقطاب البطارية والمقاومة الداخلية

يحدث الاستقطاب عندما ينحرف جهد القطب عن قيمة الاتزان بسبب تدفق التيار. الأنواع الثلاثة الرئيسية للاستقطاب هي الاستقطاب الأومي والتركيز والاستقطاب الكهروكيميائي. ويمكن أن تزيد هذه الأنواع من المقاومة الداخلية، مما يقلل من كفاءة البطارية أثناء تفريغ التيار العالي.

8. العوامل المؤثرة في الاستقطاب

• التوصيل الكهربائي: تزيد الموصلية الضعيفة من الاستقطاب أثناء التفريغ عالي التيار.
• حجم جسيمات مادة القطب الكهربائي: تقلل الجسيمات الأكبر حجمًا من كفاءة انتشار الأيونات.
• المضافات الموصلة: تزيد العوامل الموصلة غير الكافية من المقاومة الداخلية.
• تصميم القطب الكهربائي: قد تعيق الأقطاب السميكة أو كثافة الضغط العالية حركة الأيونات.

9. الخاتمة

تتأثر خصائص جهد بطارية الليثيوم أيون بالتفاعلات الكهروكيميائية وخصائص المواد والتصميم الهيكلي. ويُعد فهم هذه المعلمات أمرًا أساسيًا لتحسين تصميم البطارية واستخدامها. ومن خلال إدارة الاستقطاب وتحسين خصائص المواد، من الممكن تحسين أداء البطارية وعمرها الافتراضي بشكل كبير.