بلاگ نوین ریپورت

اثرات حرارتی و مدیریت حرارتی باتری های لیتیوم یون

تولید حرارت در باتری‌های لیتیوم-یونی در طول شارژ و دشارژ اساساً به دو بخش اصلی نسبت داده می‌شود؛ اول، به خاطر حرکت یون های لیتیوم است شامل گرمای اهمی (ژول) که از مقاومت یون‌های لیتیوم در عبور از محدوده‌های داخلی باتری و گرمای قطبش یونها درون الکترودها و الکترولیت، ایجاد می شود. جزء دوم شامل تولید گرما به دلیل ماهیت گرمازایی واکنش‌های شیمیایی مربوط به باتری است. در معادله تبادل گرمایی (1)، Q گرمای کل تولید شده در باتری، QI نشان دهنده گرمای اهمی تولید شده در هنگام شارژ و دشارژ شدن، QJ نشان دهنده گرمای قطبش تولید شده در الکترودها و QC نمایانگرگرمای واکنش شیمیایی صورت گرفته در حین انجام کار باتری است.

Q = QI + QJ + QC

البته میزان گرمای ایجادی ذاتاً به مجموعه‌ای از عوامل تأثیرگذار بستگی دارد. این عوامل شامل تغییرات دمای محیط، نرخ شارژ/دشارژ متمایز، و وضعیت در حال تکامل پیری باتری است. در دمای محیط، الکترولیت باتری، حساسیت مشخصی به شرایط حرارتی نشان می دهد. دمای نامتناسب محیط، چه بسیار زیاد و چه بسیار کم، همواره بر تولید گرمای باتری تاثیرگذار است. کاهش مقاومت داخلی باتری ناشی از دما، به ویژه در محیط های سرد مشهود است، به تشدید سریع گرمایش ژول کمک می کند. برعکس، پیشی گرفتن از محدوده دمای کار ایمن باتری باعث افزایش سریع گرمای واکنش شیمیایی می شود که به تدریج بر تولید گرما کلی غالب می شود. به طور قابل توجهی، تعادل بین تولید گرمای برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر به طور ذاتی با نوسانات نرخ شارژ/تخلیه مرتبط است. در ضرایب شارژ/دشارژ کمتر، باتری عمدتاً از طریق واکنش‌های شیمیایی و گرمایش ژول گرمای برگشت‌پذیر تولید می‌کند. با این حال، نرخ شارژ/تخلیه بالا مستلزم عبور جریان های بالا که منجر به افزایش سریع گرمایش ژول و افزایش دمای باتری ایجاد می شود. از آنجایی که باتری‌های لیتیوم یون تحت چرخه‌های شارژ و دشارژ مداوم قرار می‌گیرند، به ویژه در شرایط کاری با دمای بالا، پیری اجتناب‌ناپذیر در مواد داخلی باتری آشکار می شود که همزمان عامل افزایش مقاومت داخلی باتری است و موجب افزایش گرمای ناشی از واکنش های شیمیایی است. BTMS، به دستگاه فنی استفاده شده برای حفظ دمای عملیاتی در یک محدوده معقول و کاهش اختلاف دما در باتری در طول شارژ و دشارژ اشاره دارد. فن‌آوری‌های مدیریت حرارتی موجود را می‌توان به سه کلاس اصلی BTMS فعال، BTMS غیرفعال، و BTMS ترکیبی، طبقه‌بندی کرد. سیستم‌های فعال BTMS بر عملکرد فن‌ها و پمپ‌ها برای القای گردش مواد انتقال­دهنده حرارت، عمدتاً شامل هوا و مایعات، که توسط منابع انرژی خارجی هدایت می‌شوند، متکی هستند. BTMS غیرفعال از خواص ذاتی مواد برای تنظیم دمای باتری به طور مستقل و بدون وابستگی به انرژی خارجی استفاده می‌کند، مدیریت حرارتی PCM نمونه‌ای از این مدل است. استراتژی های هیبریدی BTMS عناصر هر دو سیستم فعال و غیرفعال را برای بهینه سازی مدیریت حرارتی ادغام می کند. یک نمونه ترکیبی PCM همراه با خنک کننده هوا/ مایع است. در حال حاضر، در مقایسه با سایر فناوری‌های مدیریت حرارتی، BTMS مبتنی بر PCM به دلیل ویژگی‌های آن متمایز است. هزینه، سهولت نصب، کمترین ردپای فضایی و شکل برتر در باتری را ارائه می دهد. علاوه بر این، BTMS مبتنی بر PCM دارای راندمان مدیریت حرارتی بالا، عدم نیاز به انرژی خارجی و هزینه نگهداری پایین است.

 

 معرفی PCM  باتری های لیتیوم یونی

سه دسته اصلی ذخیره انرژی که عبارتند از: ذخیره سازی حرارت محسوس، ذخیره سازی انرژی ترموشیمیایی و ذخیره گرمای نهان در مواد هستند و ذخیره گرمای محسوس عمدتاً به ظرفیت گرمایی ویژه ماده بستگی دارد.

در یک سیستم ترموشیمیایی، گرما به عنوان انرژی شیمیایی در ماده ذخیره شده و متعاقباً از طریق واکنش‌های برگشت‌پذیر به گرما تبدیل می‌شود. PCM‌ها دسته‌ای از مواد ذخیره گرمای نهان هستند که از انتقال بین فازها برای رسیدن به ذخیره‌سازی و آزادسازی انرژی حرارتی برای تنظیم دما استفاده می‌کنند. گرمای جذب شده و آزاد شده در طول انتقال فاز بسیار بزرگتر از ذخیره انرژی حرارتی مرسوم است در هنگام تغییر فاز یک ماده، مقدار زیادی گرما در محیط جذب یا آزاد می‌شود، اما دمای ماده اساساً ثابت می‌ماند. همین قابلیت تنظیم دقیق دما در طول تغییر فاز استفاده از این مواد را در نگهداری دمای باتری در دامنه خاص دمایی مناسب می کند و PCM‌ها را به عنوان یک انتخاب بسیار خوب برای سیستم های مدیریت حرارتی باتری لیتیوم-یون معرفی می کند.

 

خنک کننده باتری های لیتیوم یون

در حال حاضر، رایج ترین نوع PCM مورد استفاده، از نوع جامد- مایع آلی هستند، زیرا دارای مزایای دمای تغییر فاز قابل تنظیم، خواص شیمیایی پایدار و عدم جداسازی فاز هستند. در میان آنها، پارافین (PA) به دلیل قیمت پایین، انتخاب گسترده نقاط تغییر مورد نظر و قابلیت بازیافت خوب توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال، این مواد نیز دارای مشکلاتی همچون نشت طی تغییر فاز جامد- مایع و رسانایی حرارتی ذاتی پایین آنها هستند. مواد مطرح CPCM که همان اصلاح شده PCM ها هستند که برای اصلاح PCM از مواد متنوعی کمک گرفتند از 1.جمله مواد کربنی همانند گرافن و نانولوله های کربنی که بخاطر سطح بالای این مواد پارافین در تخلخل ها جذب شده و در طی تغییر فاز نشت نمی کند.

2.مواد دیگری که برای اصلاح پارافین استفاده می شود مواد فلزی هستند که دارای رسانایی حرارتی و مقاومت مکانیکی بالایی هستند. بنابراین، آنها می‌توانند هم به عنوان مواد پشتیبان و هم به عنوان پرکننده‌هایی با رسانایی حرارتی بالا به صورت نانوذرات، الیاف و فوم مورد استفاده قرار گیرند.

3.گروه دیگری از مواد که مورد کاربرد برای بهبود PCM قرار گرفتند مواد معدنی خواص ویژه ای را ارائه می‌دهند، شامل رسانایی حرارتی بالا، غیر قابل احتراق و از نظر حرارتی پایدار هستند. در قلمرو PCM که برای تقویت مدیریت حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون به کار می‌رود، مواد معدنی نقش‌های محوری و چندوجهی دارند به عنوان مواد زیرساختی، تقویت‌کننده رسانایی حرارتی و بازدارنده شعله به طور همزمان عمل کرده بطوریکه عملکرد کلی PCM‌ها را در زمینه مدیریت حرارتی برای باتری‌های لیتیوم-یون افزایش می‌دهد از جمله این مواد می توان به SiCترکیبات سیلیکونی همانند SiC  و SiO2اشاره کرد.

4. مواد پلیمری کشسان، پلیمرها معمولاً به عنوان مواد افزودنی و پشتیبانی برای CPCM‌ها استفاده می‌شوند. بسترهای پلیمری غیرالاستیک اصلی عبارتند از پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) و رزین‌های اپوکسی (EP)؛ اگر چنین بسترهایی با PCM‌های مایع مخلوط شوند، PCMها پس از خنک شدن و سفت شدن محکم توسط بستر محصور می‌شوند.

مواد پلیمری غیرالاستیک دارای خواص کپسوله کردن خوبی هستند و به عنوان مواد پشتیبان PCM برای جلوگیری از نشت مناسب هستند. با این حال، افزودن مواد پلیمری غیر الاستیک، هدایت حرارتی CPCM را به خوبی بهبود نمی‌بخشد؛ به منظور بهبود رسانایی حرارتی آن، اغلب لازم است که سایر افزودنی‌های رسانایی حرارتی بالا (به عنوان مثال، مواد مبتنی بر کربن) را به کار ببریم. بنابراین، گام بعدی مطالعه باید برای یافتن نسبت پرکننده بهینه برای برآوردن الزامات مدیریت حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون با کاهش تعداد مواد پلیمری غیرکشسان و سایر افزودنی‌های رسانایی حرارتی بالا تا حد امکان بدون نشت در نظر گرفته شود.

5. مواد پلیمری الاستیک، ماتریس پلیمری الاستیک عمدتاً شامل کوپول‌یمر‌اتیلن-اکتن(POE)، اتیلن-وینیل‌استات(EVA)، مونومر اتیلن پروپیلن‌دی‌ان (EPDM)، کوپلیمر بلوک الفین (OBC)، پلی‌استایرن‌بوتادین-استایرن(SBS) و استایرن‌اتیلن است. کوپلیمر بلوک و بوتادین-استایرن(SEBS) دارای چگالی کم، قیمت پایین، سازگاری خوب با PCMهای آلی و نرخ پوشش بالا هستند. مهم‌تر از آن، ترکیب چنین الاستومرهایی با PCMها می‌تواند انعطاف‌‌پذیری CPCM را ایجاد کند، در نتیجه مقاومت حرارتی تماس بین CPCM و باتری‌های لیتیومی را برای مدیریت حرارتی بهتر کاهش می‌دهد.

 CPCM های غیر مبتنی بر پارافین

علاوه بر PA، PCM‌های آلی دیگری را می‌توان در BTMS بکار برد. همانند اسید لوریک ، PEG و EG البته CPCM جدید با منطقه دمای تغییر فاز دوگانه (PCTR) نیز طراحی شدند که خصوصیات جالبی را به ارمغان آورده است.

کاربرد  PCM ها برای تنظیم دما در دمای پایین

گرمایش باتری های لیتیوم یون

زمانی که باتری لیتیوم-یونی در محیطی با دمای پایین قرار می‌‌گیرد؛ برای مدتی، به دلیل انجماد الکترولیت و افزایش مقاومت داخلی، باتری لیتیوم-یون عملکرد کاملی ندارد. به این معنی که اگر باتری در دمای پایین شارژ و دشارژ شود، یون‌های لیتیوم جاگرفته در الکترود منفی، کریستال‌های یونی تولید می‌کنند که مستقیماً جداکننده را سوراخ کرده و باعث اتصال کوتاه باتری یا حتی انفجار می شود لذا بر عمر باتری و عملکرد آن تأثیر می‌گذارد.

روش‌های اصلی گرمایش باتری‌های لیتیوم-یون در بازار را می‌توان به گرمایش داخلی و گرمایش خارجی تقسیم کرد. در گرمایش داخلی، با استفاده از توان داخلی باتری این گرما تامین می شود لذا مقداری از ظرفیت باتری از دست می رود. در گرمایش خارجی، لوازم جانبی بکار می روند که به وزن ناخالص کلی خودرو می‌افزایند و باز هم نیروی گرمایشی همچنان با تخلیه باتری تامین می‌شود که این برد خودرو را کاهش می‌دهد.

از آنجایی که PCM دارای خواص ذخیره گرما خوبی است، زمانی که باتری لیتیوم-یونی در محیطی با دمای پایین قرار گیرد، PCM گرمای ذخیره شده را آزاد کرده تا توزیع یکنواخت باتری را تضمین کند. PCM اعمال شده برای گرمایش باتری لیتیوم-یون را می‌توان به دو دسته CPCM‌های جامد-مایع آلی و CPCM‌های جامد-مایع معدنی تقسیم کرد.

 CPCM جامد-مایع آلی

در حال حاضر، PCMهای جامد-مایع آلی معمولاً شامل PA، اسیدهای چرب/الکل‌ها، پلی‌اتیلن گلیکول‌ها و استرها هستند. به دلیل خواص حرارتی عالی که دارند، به ویژه برای دستگاه‌های الکترونیکی به عنوان سیستم باتری مناسب هستند.

  CPCM جامد-مایع معدنی

PCMهای جامد-مایع معدنی عمدتاً شامل نمک‌های مذاب، نمک‌های هیدراته کریستالی، فلزات و آلیاژهای آن هستند؛ در این میان، کاربردی‌ترین PCMهای جامد-مایع معدنی، نمک‌های هیدراته کریستالی هستند. نمک‌های هیدراته کریستالی کلاسی از PCM‌های ذخیره‌سازی انرژی در دمای متوسط ​​و پایین هستند؛ اما دو مشکل اساسی دارند: 1) پدیده کریستاله شدن فوق سرد و 2) لایه لایه شدن بارش دارند.

به طور کلی، مطالعات کمتری در مورد کاربرد PCM مایع-جامد معدنی در مدیریت حرارتی با دمای پایین باتری‌های لیتیوم-یونی وجود دارد.

معیارهای انتخاب PCM برای BTMS

در زمینه بکارگیری PCMها در مدیریت حرارتی باتری‌های لیتیوم-یون، روش جامع وجود دارد، معیارهای اساسی زیر برای انتخاب PCM لحاظ می شود:

1.  ماده انتخابی باید دارای گرمای نهان و ظرفیت گرمای ویژه بالا، رسانایی حرارتی مناسب و ماهیت سبکی داشته‌باشد.
2.   دمای تغییر فاز ماده باید با الزامات عملیاتی تعیین شده مطابقت داشته باشد
3.  تغییر حجم در طول فرآیند تغییر فاز باید حداقل باشد
4.  فرآیند چرخه تغییر فاز باید پایدار باشد.
5.  درجه سرد شدن فرعی و جداسازی فاز در طول فرآیند تغییر فاز باید به حداقل برسد
6.  ماده باید پایداری شیمیایی، غیر سمی ، خورندگی کم و غیرقابل اشتعال باشد
7.  مقرون به صرفه بودن و سهولت بسته‌بندی نیز باید در نظر گرفته شود
8.  این ماده باید خواص بازدارنده شعله مناسب، عایق حرارتی و دارای یکپارچگی مکانیکی باشد