باحثون منالجامعة التقنية في ميونيخ(توم) وجامعة RWTH آخنفي ألمانيا، قاموا بمقارنة الأداء الكهربائي لبطاريات أيون الصوديوم عالية الطاقة (SIBs) بأداء بطارية أيون الليثيوم عالية الطاقة (LIBs) الحديثة ذات الكاثود من فوسفات الليثيوم والحديد (LFP).

ووجد الفريق أن حالة الشحن ودرجة الحرارة لها تأثير أعلى على مقاومة النبضة ومقاومة بطاريات SIB مقارنة ببطاريات LIB، وهو ما قد يؤثر على خيارات التصميم ويشير إلى أن بطاريات SIB قد تتطلب أنظمة أكثر تطوراً لإدارة درجة الحرارة والشحن لتحسين الأداء، وخاصة عند مستويات الشحن المنخفضة.

• لتوضيح مقاومة النبضة بشكل أكبر، يشير المصطلح إلى مقدار انخفاض جهد البطارية عند الطلب المفاجئ على الطاقة. لذلك، تشير الأبحاث إلى أن بطاريات أيونات الصوديوم تتأثر بمستوى الشحن ودرجة الحرارة أكثر من بطاريات أيونات الليثيوم.

بحث:

صرّح العلماء: "تُعتبر بطاريات أيونات الصوديوم (SIBs) عمومًا بديلاً سهل الاستخدام لبطاريات الليثيوم-أيون". وأضافوا: "مع ذلك، فإن الاختلافات في السلوك الكهروكيميائي للصوديوم والليثيوم تتطلب تعديلات على كلٍّ من الأنود والكاثود. فبينما يُستخدم الجرافيت عادةً كمادة أنود في بطاريات أيونات الليثيوم (LIBs)، يُعتبر الكربون الصلب حاليًا المادة الواعدة لبطاريات أيونات الليثيوم (SIBs)".

وأوضحوا أيضًا أن عملهم كان يهدف إلى سد فجوة في البحث، حيث لا يزال هناك نقص في المعرفة حول السلوك الكهربائي لـ SIBs من حيث درجات الحرارة المتغيرة وحالة الشحنات (SOCs).

وأجرى فريق البحث، على وجه الخصوص، قياسات الأداء الكهربائي في درجات حرارة تتراوح بين 10 درجات مئوية إلى 45 درجة مئوية وقياسات الجهد في الدائرة المفتوحة للخلية الكاملة في درجات حرارة مختلفة وكذلك قياسات نصف الخلية للخلايا المقابلة عند 25 درجة مئوية.

علاوةً على ذلك، درسنا تأثير درجة الحرارة ونسبة الكربون في الجسم (SOC) على كلٍّ من مقاومة التيار المستمر (R DC) ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية الجلفانية (GEIS)»، كما أوضحت. «لفحص السعة القابلة للاستخدام، والطاقة القابلة للاستخدام، وكفاءة الطاقة في ظل ظروف ديناميكية، أجرينا اختبارات قدرة المعدل بتطبيق معدلات تحميل مختلفة عند درجات حرارة مختلفة».

قام الباحثون بقياس بطارية ليثيوم أيون، وبطارية صوديوم أيون ذات مهبط من النيكل والمنغنيز والحديد، وبطارية ليثيوم أيون ذات مهبط من نوع LFP. أظهرت جميعها تباطؤًا في الجهد، أي أن جهد الدائرة المفتوحة اختلف بين الشحن والتفريغ.

من المثير للاهتمام، في حالة البطاريات ذات الشحنة الكهربائية الصغيرة (SIBs)، يحدث التباطؤ بشكل رئيسي عند انخفاض تركيزات الشحنة الكهربائية في الجسم (SOCs)، والذي يُرجَّح، وفقًا لقياسات نصف الخلية، أن يكون ناتجًا عن قطب الكربون الصلب، كما أكد الأكاديميون. وأضافوا: "يُظهر R DC ومعاوقة بطارية الليثيوم اعتماداً ضئيلاً للغاية على تركيزات الشحنة الكهربائية في الجسم (SOCs). في المقابل، في حالة البطاريات ذات الشحنة الكهربائية الصغيرة (SIBs)، يزداد R DC والمعاوقة بشكل ملحوظ عند تركيزات شحنة كهربائية أقل من 30%، بينما يكون لارتفاع تركيزات الشحنة الكهربائية تأثير معاكس، ويؤدي إلى انخفاض قيم R DC والمعاوقة."

علاوة على ذلك، تأكدوا من أن اعتماد R_DC والممانعة على درجة الحرارة أعلى في خلايا SIB مقارنةً بخلايا LIB. وأوضحوا: "لا تُظهر اختبارات خلايا LIB تأثيرًا كبيرًا لـ SOC على كفاءة النقل ذهابًا وإيابًا. في المقابل، يمكن أن يُقلل تغيير خلايا SIB من 50% إلى 100% من خسائر الكفاءة بأكثر من النصف مقارنةً بتغييرها من 0% إلى 50%"، مشيرين إلى أن كفاءة خلايا SIB تزداد بشكل كبير عند تغيير الخلايا في نطاق SOC أعلى مقارنةً بنطاق SOC أقل.