جودة وصلاحية بطاريات الليثيوم أيون في الأجواء الصحراوية مرتفعة الحرارة

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن (LIBs) في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل أجهزة اللابتوب والهواتف الذكية والأجهزة المحمولة، وترجع شعبيتها إلى خصائصها المتعددة، وأهمها القدرة الكبيرة لتخزين وحفظ الطاقة، واستمرار استخدامها لفترات طويلة، وانخفاض معدل التفريغ الذاتي. وبمرور الوقت، بدأت صناعة السيارات أيضا في ملاحظة إمكانات بطاريات الليثيوم كمصدر طاقة للسيارات الكهربائية، وتم تقديم أول مركبات كهربائية بشكل تجاري تعمل ببطاريات الليثيوم في أواخر عام 2000، ومنذ ذلك الحين، تنامى سوق السيارات الكهربائية بشكل ملحوظ.

في السنوات الأخيرة، كان هناك ارتفاع في الطلب على بطاريات الليثيوم، مدفوعًا إلى حد كبير بالنمو في سوق السيارات الكهربائية وزيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وقد أدت هذه الزيادة في الطلب إلى استخدام واسع النطاق لبطاريات الليثيوم، بدءا من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، إلى السيارات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة، وقد أدى الطلب المتزايد على بطاريات الليثيوم إلى تطوُر كبير في تكنولوجيا صناعة البطاريات، حيث يركز الباحثون والمصنعون على تحسين الجوانب المهمة في هذه البطاريات، مثل كثافة الطاقة، وعدد مرات استخدامها، والجودة والصلاحية والسلامة، وتنافسيتها من حيث التكلفة، وقد أسفرت هذه الجهود عن إنجازات ملحوظة، مما مكَّن بطاريات الليثيوم من توفير كثافة طاقة أعلى، وعمر افتراضي أطول، فضلًا عن تحسين ميزات السلامة، وخفض تكاليف الإنتاج.

وبشكل عام، يعتبر تاريخ بطاريات الليثيوم أيون، أحد الابتكارات التي تشهد نموا وتطورا مطردا ، لاسيما مع توسع استخدامها لتلبية الطلب المتزايد على تخزين الطاقة في كثير من المنتجات والأجهزة، ومع ذلك ، تعتبر درجة الحرارة عاملًا حاسمًا يؤثر على أداء وعمر بطاريات الليثيوم أيون.

مؤخرًا، نشرت الدكتورة كنزة ماهر ونورة الجيدة من معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة التابع لجامعة حمد بن خليفة، ويحيى زكريا من المختبرات الرئيسية، ورقة بحثية بعنوان "تقييم قوة وسلامة بطاريات الليثيوم أيون في أجواء الطقس الصحراوية مرتفعة الحرارة"، والتي فازت بجائزة أفضل عرض توضيحي في المؤتمر الدولي لعلوم وتكنولوجيا تخزين الطاقة، الذي عُقد في نيويورك يومي 24 و25 أبريل 2023، حيث يُسلط هذا الإنجاز الضوء على أهمية وملاءمة البحوث التي يجريها معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة لتلبية احتياجات المجتمع العلمي الدولي، ومواكبة متطلبات السوق القطري.

تضمنت الدراسة اختبارا لأربع خلايا من بطاريات "ليثيوم أيون 18650" المستخدمة في كثير من الأجهزة، من مصنعين مختلفين، ليتم استخدامها على أرض الواقع، حيث تعرضت فيها الخلايا لدورات استخدام متسارعة تصل إلى 500 دورة عند درجتي حرارة مختلفتين (25 درجة مئوية و45 درجة مئوية)، وتم اختبارها في وقت واحد، في حالات وهي مشحونة وكذلك وهي مفرغة لمدة ستة أشهر، وذلك للتدقيق في تأثير عدد مرات الاستخدام، ودرجة الحرارة على القدرة التخزينية والصلاحية للخلايا.

ووجد الفريق أن جميع خلايا البطارية أظهرت قابلية جيدة لإعادة الشحن، وتتمتع بصلاحية جيدة في كلتا درجتي الحرارة، ومع ذلك ، تبين أن فقدان القدرة على الشحن وصلاحية وسلامة هذه الخلايا يعتمدان على بشكل كبير على كيمياء الخلية، وعمرها الافتراضي من حيث عدد مرات الاستخدام. فعلى وجه الخصوص ، كان تآكل القدرة التخزينية أكثر وضوحا عند ارتفاع درجة حرارة الخلية، مما يشير إلى التأثير الكبير لدرجة الحرارة على العمر الافتراضي وصلاحية بطاريات الليثيوم أيون.

ويوفر هذا العمل البحثي رؤى قيّمة حول كيفية تأثير درجة الحرارة وحالة الشحن على العمر الافتراضي لبطاريات الليثيوم، والذي يمكن استخدامه لتطوير مشاريع متعددة لتحسين جودتها وصلاحيتها، بالإضافة إلى ذلك، فقد وجدت الدراسة أن مواد الكاثود المختلفة في بطاريات الليثيوم لها مستويات مختلفة من قدرتها التخزينية، حيث تتلاشى الطاقة خلال مراحل تدهورها، كما اكتشف الفريق أيضا أن كلا من تقادم الفترة الزمنية وعدد مرات الاستخدام، وكذلك كيمياء الخلية، ينبغي أخذها في الاعتبار عند تصميم وتطوير هذه البطاريات.

ولاشك أن الأبحاث التي أجراها الفريق تعتبر ذات أهمية قصوى، ليس فقط للمجتمع العلمي الدولي، ولكن أيضا للمجتمع المحلي. ففي دولة قطر، حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى 50 درجة مئوية في فصل الصيف، حيث تُمثل صلاحية وسلامة بطاريات الليثيوم في المناخات الصحراوية ذات درجات الحرارة المرتفعة، دورا حاسما في تطوير أنظمة الطاقة المستدامة، ومن شأن نتائج هذا البحث أن تعزز أداء السيارات الكهربائية والشبكات الكهربائية، مما يدعم جهود البلاد للانتقال إلى اقتصاد منخفض الكربون.

وسوف تساهم هذه الورقة البحثية، التي تم اختيارها للنشر في مجلة دولية، في الفهم العلمي لآليات العمر الافتراضي لبطاريات الليثيوم، وتحديد المعايير والسياسات ووسائل تنظيم استخدام هذه البطاريات وكيفية التخلص منها، حيث يسلط البحث الذي أجراه معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة الضوء على التزام المعهد للارتقاء بالمعرفة العلمية وتطوير حلول مستدامة لصالح خدمة المجتمع.

ويُجري فريق البحث في معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة، دراسة مستفيضة حول جودة وصلاحية بطاريات الليثيوم أيون في أجواء الطقس الصحراوي المتميز بدرجات الحرارة المرتفعة، حيث يعتبر هذا البحث مهما بالنظر إلى الطلب المتزايد على السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة في جميع أنحاء العالم، ويعد فهم آثار التقادم على هذه البطاريات أمرا بالغ الأهمية لتعزيز موثوقيتها وصلاحيتها. لمزيد من المعلومات يرجى التواصل عبر البريد الإلكتروني: qeeri-communication@hbku.edu.qa