باحثون منجامعة ميونخ التقنية(TUM) وجامعة آر دبليو تي إتش آخنقام باحثون في ألمانيا بمقارنة الأداء الكهربائي لبطاريات أيونات الصوديوم عالية الطاقة (SIBs) مع أداء بطارية أيونات الليثيوم عالية الطاقة (LIBs) المتطورة ذات مهبط من فوسفات الحديد الليثيوم (LFP).

وجد الفريق أن حالة الشحن ودرجة الحرارة لهما تأثير أكبر على مقاومة النبض ومعاوقة بطاريات أيونات الصوديوم مقارنة ببطاريات أيونات الليثيوم، مما قد يؤثر على خيارات التصميم ويشير إلى أن بطاريات أيونات الصوديوم قد تتطلب أنظمة إدارة درجة الحرارة والشحن أكثر تطوراً لتحسين الأداء، خاصة عند مستويات الشحن المنخفضة.

• لتوضيح مقاومة النبض بشكل أكبر: يشير هذا المصطلح إلى مقدار انخفاض جهد البطارية عند تطبيق طلب مفاجئ على الطاقة. ولذلك، تشير الأبحاث إلى أن بطاريات أيونات الصوديوم تتأثر بمستوى الشحن ودرجة الحرارة أكثر من بطاريات أيونات الليثيوم.

بحث:

أوضح العلماء أن "بطاريات أيونات الصوديوم تُعتبر عمومًا بديلًا مباشرًا لبطاريات أيونات الليثيوم". وأضافوا: "مع ذلك، تتطلب الاختلافات في السلوك الكهروكيميائي للصوديوم والليثيوم تعديلات على كل من المصعد والمهبط. فبينما يُستخدم الجرافيت عادةً كمادة للمصعد في بطاريات أيونات الليثيوم، يُعتبر الكربون الصلب حاليًا المادة الأكثر واعدة لبطاريات أيونات الصوديوم".

وأوضحوا أيضًا أن عملهم كان يهدف إلى سد فجوة في البحث، حيث لا يزال هناك نقص في المعرفة حول السلوك الكهربائي لبطاريات أيونات الصوديوم من حيث درجات الحرارة المتغيرة وحالات الشحن (SOCs).

أجرى فريق البحث، على وجه الخصوص، قياسات الأداء الكهربائي في درجات حرارة تتراوح من 10 درجات مئوية إلى 45 درجة مئوية وقياسات جهد الدائرة المفتوحة للخلية الكاملة عند درجات حرارة مختلفة بالإضافة إلى قياسات نصف الخلية للخلايا المقابلة عند 25 درجة مئوية.

وأضاف التقرير: "علاوة على ذلك، قمنا بدراسة تأثير درجة الحرارة وحالة الشحن على كلٍ من مقاومة التيار المستمر (R DC) ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية الجلفانوستاتية (GEIS). ولتقييم السعة القابلة للاستخدام والطاقة القابلة للاستخدام وكفاءة الطاقة في ظل ظروف ديناميكية، أجرينا اختبارات قدرة معدل الشحن والتفريغ 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 فوسفات الحديد الليثيوم. أظهرت البطاريات الثلاث جميعها ظاهرة التخلف في الجهد، أي أن جهد الدائرة المفتوحة يختلف بين الشحن والتفريغ.

أكد الباحثون: "من المثير للاهتمام أن ظاهرة التخلف المغناطيسي في بطاريات أيونات الصوديوم تحدث بشكل أساسي عند مستويات شحن منخفضة، وهو ما يُعزى على الأرجح، وفقًا لقياسات نصف الخلية، إلى قطب الكربون الصلب الموجب. ويُظهر كل من مقاومة التيار المستمر (R DC) ومعاوقة بطاريات أيونات الليثيوم اعتمادًا ضئيلًا جدًا على مستوى الشحن. في المقابل، بالنسبة لبطاريات أيونات الصوديوم، تزداد مقاومة التيار المستمر والمعاوقة بشكل ملحوظ عند مستويات شحن أقل من 30%، بينما يكون لمستويات الشحن الأعلى تأثير معاكس، حيث تؤدي إلى انخفاض قيم مقاومة التيار المستمر والمعاوقة."

علاوة على ذلك، تأكدوا من أن اعتماد مقاومة التيار المستمر (R_DC) والمعاوقة على درجة الحرارة أعلى في بطاريات أيونات الصوديوم (SIBs) مقارنةً ببطاريات أيونات الليثيوم (LIBs). وأوضحوا أن "اختبارات بطاريات أيونات الليثيوم لا تُظهر تأثيرًا يُذكر لحالة الشحن (SOC) على كفاءة دورة الشحن والتفريغ. في المقابل، يُمكن أن يُقلل تشغيل بطاريات أيونات الصوديوم من 50% إلى 100% من حالة الشحن من فقدان الكفاءة بأكثر من النصف مقارنةً بتشغيلها من 0% إلى 50%". وأشاروا إلى أن كفاءة بطاريات أيونات الصوديوم ترتفع بشكل ملحوظ عند تشغيل الخلايا في نطاق حالة شحن أعلى مقارنةً بنطاق حالة شحن أقل.