بحران افزایش دمای باتری‌های لیتیوم یونی چگونه حل خواهد شد؟

به گزارش مجله خبری نگار/اقتصاد ایران،محمدسعید محمدی اظهار کرد: این پژوهش در قالب پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی در دانشگاه زنجان و تحت راهنمایی دکتر محمد تقیلو انجام شده است. در این مطالعه، رفتار حرارتی یک باتری لیتیوم یونی در حضور ماده تغییر فازدهنده به همراه محیط متخلخل با اعمال شرط عدم تعادل دمای محلی، به روش عددی بولتزمن شبکه‌ای مورد بررسی قرار گرفت. هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی اثر پارامتر‌هایی مانند تخلخل محیط، ضخامت ماده تغییر فازدهنده، دمای محیط و مقاومت تماسی بر دمای بیشینه باتری و فرآیند ذوب ماده تغییر فازدهنده بوده است که نتایج آن نشان‌دهنده بهبود قابل توجه عملکرد سیستم مدیریت حرارتی باتری و کاهش معنادار دمای کاری آن است.

این محقق در توضیح باتری‌های لیتیوم، گفت: گسترش استفاده از تجهیزات الکترونیکی و خودرو‌های برقی، باتری‌های لیتیوم یونی به‌دلیل چگالی انرژی بالا و وزن کم، نقش کلیدی در تأمین انرژی پیدا کرده‌اند؛ اما مدیریت حرارتی و ایمنی آنها همچنان یکی از چالش‌های اصلی است. عملکرد و طول عمر این باتری‌ها به‌شدت به دمای کاری وابسته است؛ به‌طوری‌که دما‌های بالا می‌توانند منجر به واکنش‌های ناخواسته و کاهش ایمنی شوند.

محمدی ادامه داد: در این پژوهش، از مواد تغییر فاز دهنده به‌عنوان یک روش غیرفعال و مؤثر برای مدیریت حرارتی باتری استفاده شده است. این مواد با ذخیره گرمای نهان، دمای باتری را در بازه‌ای تقریباً ثابت نگه می‌دارند. با این حال، رسانندگی حرارتی پایین پارافین، به‌عنوان پرکاربردترین ماده تغییر فاز دهنده، یک محدودیت جدی محسوب می‌شود.

وی افزود: برای رفع این مشکل، استفاده از محیط متخلخل به‌عنوان راهکاری کارآمد برای افزایش رسانندگی حرارتی ماده تغییر فاز دهنده بررسی شده است. نتایج مطالعات پیشین نشان می‌دهد محیط‌های متخلخل فلزی یا گرافیتی، در مقایسه با نانوذرات و پره‌ها، عملکرد بهتری در کاهش دمای باتری دارند.

این پژوهشگر با توجه به تحقیقات انجام شده گفت: در این تحقیق، با بهره‌گیری از روش بولتزمن شبکه‌ای و در نظر گرفتن پدیده‌هایی مانند جابه‌جایی طبیعی، تولید گرمای واقعی باتری، مقاومت تماسی و عدم تعادل دمای محلی، رفتار حرارتی باتری لیتیوم یونی به‌صورت دقیق شبیه‌سازی شده است. هدف اصلی، بررسی تأثیر پارامتر‌هایی مانند ضخامت ماده تغییر فاز، میزان تخلخل، دمای محیط و مقاومت تماس بر عملکرد حرارتی باتری و ارائه راهکاری بهینه برای افزایش ایمنی و کارایی آن است.

محمدی در بخش دیگری از توضیحات خود تشریح کرد: در بخشی از این پژوهش، چارچوب نظری و معادلات حاکم بر مسئله مدیریت حرارتی باتری لیتیوم یونی با استفاده از روش بولتزمن شبکه‌ای ارائه شده است. در این بخش، ابتدا مبانی تئوریک روش بولتزمن شبکه‌ای شامل معادله انتقال بولتزمن، آرایش شبکه مورد استفاده و تابع توزیع تعادلی معرفی شده و سپس معادلات ماکروسکوپی حاکم بر میدان‌های دما و جریان، از جمله معادلات پیوستگی، تکانه و انرژی برای باتری، ماده تغییر فازدهنده و محیط متخلخل تشریح شده‌اند.

محمدی افزود: در ادامه، معادلات بولتزمن مربوط به میدان دمای باتری و همچنین میدان دما و سرعت ماده تغییر فازدهنده با فرض شرط عدم تعادل دمای محلی توسعه داده شده است؛ شرطی که به دلیل اختلاف قابل توجه ضریب رسانندگی حرارتی بین شبکه جامد محیط متخلخل و فاز سیال ماده تغییر فازدهنده، نقش تعیین‌کننده‌ای در دقت شبیه‌سازی دارد. در این راستا، دو معادله انرژی مجزا برای فاز جامد و مایع به‌صورت همزمان حل شده است.

این پژوهشگر خاطرنشان کرد: برای مدل‌سازی پدیده تغییر فاز جامد–مایع، از روش آنتالپی کل استفاده شده است که بدون نیاز به ردگیری صریح جبهه ذوب، امکان شبیه‌سازی همزمان انتقال حرارت، جریان سیال و تغییر فاز را فراهم می‌کند. همچنین به‌منظور جلوگیری از انتشار عددی غیرفیزیکی در فصل مشترک جامد و مایع، از زمان رهاسازی دوگانه بهینه در معادلات بولتزمن میدان دمای ماده تغییر فازدهنده استفاده شده است.

محمدی ادامه داد: در این بخش، شرایط مرزی متداول در روش بولتزمن شبکه‌ای از جمله شرایط مرزی تناوبی، بازگشت به عقب، شرط مرزی غیرتعادلی و شرط تقارن دمایی و آدیاباتیک معرفی و نحوه اعمال آنها در مسئله حاضر تشریح شده است. علاوه بر این، برای نخستین بار روابط مبتنی بر روش حجم محدود جهت محاسبه دما در فصل مشترک باتری و ماده تغییر فازدهنده با در نظر گرفتن مقاومت تماسی حرارتی استخراج و به‌کار گرفته شده است که نقش مهمی در پیش‌بینی دقیق دمای باتری دارد.

محمدی با اشاره به نتایج این پژوهش گفت: در بخش بررسی نتایج، ابتدا کد عددی توسعه‌یافته با نتایج پژوهش‌های معتبر پیشین مورد اعتبارسنجی قرار گرفت که مقایسه با مطالعات گائو و همکاران نشان داد تطابق بسیار مناسبی میان نتایج وجود دارد و فرآیند ذوب ماده تغییر فازدهنده در محیط متخلخل به‌درستی شبیه‌سازی شده است. همچنین بررسی استقلال از شبکه نشان داد که نتایج پس از یک تعداد شبکه مشخص، به همگرایی کامل رسیده و دقت محاسبات تضمین شده است.

وی افزود: نتایج نشان می‌دهد تخلخل محیط متخلخل نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد سیستم مدیریت حرارتی باتری دارد. بر اساس شبیه‌سازی‌ها، در تخلخل‌های پایین‌تر، ذوب ماده تغییر فازدهنده سریع‌تر رخ می‌دهد، اما ظرفیت ذخیره انرژی گرمایی نهان کاهش می‌یابد؛ در مقابل، در تخلخل‌های بالا، اگرچه فرآیند ذوب کندتر است، اما توانایی ذخیره گرمای نهان افزایش پیدا می‌کند. در این میان، تخلخل ۰٫۸ به‌عنوان مقدار بهینه شناسایی شد؛ حالتی که بدون ذوب کامل ماده تغییر فازدهنده، کمترین دمای بیشینه باتری را در طول چرخه‌های متوالی شارژ و تخلیه ایجاد می‌کند.

این پژوهشگر ادامه داد: بررسی تأثیر ضخامت ماده تغییر فازدهنده نشان داد که تا زمانی که فرآیند ذوب کامل نشده است، افزایش ضخامت منجر به کاهش دمای بیشینه باتری می‌شود. با این حال، پس از رسیدن به یک ضخامت مشخص، کاهش دما با شیب کمتری ادامه می‌یابد که علت آن ظرفیت گرمایی بالای محیط متخلخل است. بر این اساس، ضخامت ۲۰ میلی‌متر به‌عنوان ضخامت بهینه انتخاب شد، چرا که افزایش بیشتر ضخامت، بهبود محسوسی در خنک‌کاری باتری ایجاد نمی‌کند.

محمدی با اشاره به اثر دمای محیط، گفت: نتایج نشان می‌دهد این سیستم مدیریت حرارتی می‌تواند در بازه وسیعی از دما‌های محیطی، عملکرد قابل قبولی داشته باشد. با تغییر دمای محیط از منفی ۲۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس، دمای بیشینه باتری تنها حدود ۲۵ درصد افزایش داشته است که بیانگر پایداری عملکرد سیستم است. همچنین در دمای محیط ۵۰ درجه سلسیوس، حضور ماده تغییر فازدهنده و محیط متخلخل موجب شد دمای بیشینه باتری نسبت به حالتی که سیستم مدیریت حرارتی وجود ندارد، تا ۲۲ درصد کاهش یابد.

وی تصریح کرد: بررسی مقاومت تماسی بین باتری و ماده تغییر فازدهنده نشان داد که کاهش این مقاومت، نقش مهمی در بهبود انتقال حرارت و کاهش دمای باتری دارد. در حالت ایده‌آل که مقاومت تماسی نزدیک به صفر است، دمای بیشینه باتری حدود ۱۲ درصد کمتر از حالتی است که مقاومت تماسی بالا دارد. این نتیجه نشان می‌دهد استفاده از لایه‌های واسط با رسانندگی حرارتی بالا یا پوشش‌های گرافنی می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی در کنترل دمای باتری داشته باشد.

این پژوهشگر در ادامه تصریح کرد: یکی از یافته‌های مهم این تحقیق، ضرورت اعمال شرط عدم تعادل دمای محلی در شبیه‌سازی چنین سیستم‌هایی است. نتایج نشان داد که به دلیل اختلاف بسیار زیاد ضریب رسانندگی حرارتی بین شبکه جامد محیط متخلخل و ماده تغییر فازدهنده، فرض تعادل دمای محلی منجر به خطای قابل توجه در پیش‌بینی دما می‌شود. مقایسه مدل‌های مختلف ضریب انتقال حرارت حجمی نشان داد که انتخاب مدل مناسب می‌تواند اختلاف دمای پیش‌بینی‌شده را تا چند ده درجه سلسیوس تغییر دهد.

محمدی در جمع‌بندی نتایج این پژوهش، گفت: در این مطالعه، مدیریت حرارتی یک باتری لیتیوم یونی در حضور ماده تغییر فازدهنده به‌صورت عددی بررسی شد و برای افزایش رسانندگی حرارتی PCM، از محیط متخلخل آلومینیومی استفاده گردید. در مدل‌سازی انجام‌شده، اثر مقاومت تماسی بین باتری و PCM، جابه‌جایی طبیعی در PCM ذوب شده و شرط عدم تعادل دمای محلی در نظر گرفته شد و حل عددی مسئله با استفاده از روش بولتزمن شبکه‌ای و کدنویسی به زبان FORTRAN انجام گرفت.

وی افزود: هدف اصلی این پژوهش، بررسی اثر پارامتر‌های کلیدی شامل تخلخل محیط متخلخل، ضخامت ماده تغییر فازدهنده، دمای محیط و مقاومت تماسی بر عملکرد سیستم مدیریت حرارتی باتری بود. نتایج نشان داد که تخلخل یکی از مؤثرترین پارامتر‌ها در کنترل دمای باتری است؛ به‌گونه‌ای که با کاهش تخلخل، کسر مایع PCM سریع‌تر به مقدار یک می‌رسد و در نتیجه دمای بیشینه باتری افزایش می‌یابد. همچنین حضور محیط متخلخل با تخلخل ۰٫۸ موجب شد دمای بیشینه باتری تا ۲۵ درصد نسبت به حالت PCM خالص کاهش یابد.

این پژوهشگر خاطرنشان کرد: بررسی‌ها نشان می‌دهد تخلخل دارای یک مقدار بهینه است، چرا که از یک‌سو کاهش تخلخل باعث کاهش فضای خالی و مقدار PCM می‌شود و از سوی دیگر، سازوکار انتقال حرارت ناشی از جابه‌جایی طبیعی را تضعیف می‌کند؛ بنابراین انتخاب نادرست تخلخل می‌تواند اثر معکوس بر عملکرد سیستم مدیریت حرارتی داشته باشد.

محمدی ادامه داد: نتایج مربوط به ضخامت PCM نشان داد که افزایش ضخامت به دو دلیل منجر به کاهش دمای بیشینه باتری می‌شود؛ نخست افزایش مقدار PCM و ذخیره بیشتر گرمای نهان در طی فرآیند تغییر فاز و دوم ظرفیت گرمایی نسبتاً بالای محیط متخلخل که باعث ذخیره گرمای محسوس بیشتری می‌شود. با این حال، زمانی که PCM به‌طور کامل ذوب شود، اثر افزایش ضخامت بر کاهش دما کمرنگ‌تر می‌شود.

وی با اشاره به عملکرد سیستم در شرایط محیطی مختلف گفت: با تغییر دمای محیط از منفی ۲۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس، دمای بیشینه باتری در انتهای هشت مرحله شارژ و تخلیه تنها ۲۵ درصد افزایش یافت که نشان‌دهنده کارآمدی سیستم مدیریت حرارتی پیشنهادی در شرایط دمایی گسترده است. همچنین در دمای محیط منفی ۲۰ درجه سلسیوس، دمای باتری در حضور PCM و محیط متخلخل کمتر از حالتی است که هیچ سیستم مدیریت حرارتی وجود ندارد؛ موضوعی که به رسانندگی حرارتی بالای شبکه جامد و انتقال مؤثر گرما به محیط سرد نسبت داده می‌شود.

این پژوهشگر تأکید کرد: بررسی مقاومت تماسی نشان داد که کاهش مقاومت تماسی بین باتری و PCM، نقش مهمی در کاهش دمای بیشینه باتری دارد. به‌طور خاص، استفاده از صفحات سرد با رسانندگی حرارتی بالا یا صفحات گرافنی می‌تواند دمای بیشینه باتری را تا ۵ درجه سلسیوس کاهش دهد و عملکرد سیستم را بهبود بخشد.

وی به یکی از نتایج مهم مدل‌سازی اشاره کرد و گفت: تعیین ضریب انتقال حرارت حجمی بین سیال عامل و شبکه جامد در هنگام اعمال شرط عدم تعادل دمای محلی از اهمیت بالایی برخوردار است. نتایج نشان داد که استفاده از ضرایب مختلف می‌تواند اختلاف دمای قابل‌توجهی بین PCM و شبکه جامد ایجاد کند؛ به‌گونه‌ای که این اختلاف دما در پایان هشت مرحله شارژ و تخلیه متناوب، مقادیری در حدود ۱۳ تا ۳۶ درجه سلسیوس داشته است.

محمدی با اشاره به مسیر‌های پژوهشی آتی گفت: در این تحقیق از محیط متخلخل برای افزایش راندمان سیستم مدیریت حرارتی مبتنی بر ماده تغییر فازدهنده استفاده شد، اما در مطالعات آینده می‌توان روش‌های دیگری نظیر افزودن پره، استفاده از فیبر‌های کربنی، پره‌های متحرک یا روش‌های ترکیبی شامل محیط متخلخل به همراه نانوذرات یا جابه‌جایی اجباری سیال خنک‌کننده را بررسی کرد.

وی افزود: در این پژوهش، تولید گرمای باتری بر اساس داده‌های آزمایشگاهی مطالعات پیشین و به‌صورت تابعی از دما و زمان اعمال شد؛ در حالی که در تحقیقات آینده می‌توان با مدل‌سازی مستقیم واکنش‌های شیمیایی داخل باتری، دقت پیش‌بینی تولید گرما را افزایش داد. همچنین پیشنهاد می‌شود شبیه‌سازی جریان در محیط متخلخل با مدل‌سازی دقیق شبکه جامد و اصلاح پیشرفته‌تر معادلات تکانه، مورد بررسی قرار گیرد.

به گزارش ایسنا، نتایج این پژوهش که در قالب یک پایان‌نامه کارشناسی ارشد انجام شده است، با اندکی گسترش موضوع منجر به انتشار دو مقاله Q۱ در ژورنال بین‌المللی Journal of Energy Storage شده است. همچنین در ادامه این پایان‌نامه، چندین پایان‌نامه کارشناسی ارشد و یک رساله دکتری در راستای تکمیل، توسعه و پیاده‌سازی عملی این ایده پژوهشی تعریف شده‌اند که هم‌اکنون در حال انجام هستند.