كيف تعمل بطارية أيون الصوديوم

كيف هل خلية أيون الصوديوم؟ البطارية العمل؟

تُخزِّن خلية أيون الصوديوم الطاقة وتُطلقها عبر حركة مُتحكَّمٍ بها لأيونات الصوديوم بين قطبين كهربائيين. ويبدو المبدأ مشابهًا لخلية الليثيوم-أيون عند رسمه على السبورة البيضاء، لكن المواد المستخدمة وحجم الأيونات وبعض النتائج العملية تختلف. ولأي شخص يقيِّم خلايا أيون الصوديوم لتطبيقات التشغيل/الإيقاف في المركبات، فإن فهم الكيفية التي تعمل بها الخلية فعليًّا داخل البطارية هو نقطة البداية لكل مواصفةٍ ومقارنةٍ وقرار شراءٍ لاحق.

_______________________________________________________________________

الهيكل الأساسي داخل خلية أيون الصوديوم

تتكوَّن خلية أيون الصوديوم من نفس الأجزاء الأساسية الموجودة في معظم أنواع الخلايا القابلة لإعادة الشحن الأخرى: قطب موجب (كاثود)، وقطب سالب (أنود)، وفاصل يمنع التلامس الجسدي بينهما، وإلكتروليت ينقل الأيونات بين القطبين، وموصلات تيار تربط كل قطب بالطرفين الخارجيين.

المواد المستخدمة في تلك المكونات هي ما يُميِّز خلية أيون الصوديوم عن خلية أيون الليثيوم. وتستخدم خلايا أيون الصوديوم عادةً:

• كاثودًا يحتوي على الصوديوم ، مثل مثل أكاسيد المعادن الانتقالية المتراكبة (مثل NaNi₁/₃Mn₁/₃Fe₁/₃O₂ وتركيبات مشابهة)، أو نظائر البروسيان الأزرق، أو مركبات نوع البوليانايون. وتتفاوت التركيبة الكيميائية بالضبط حسب الشركة المصنِّعة والتطبيق المقصود.

• أنود كربون صلب وهو المادة الأنودية الأكثر انتشارًا في خلايا أيون الصوديوم. وتتشرب أيونات الصوديوم داخل البنية غير المنتظمة للكربون أثناء الشحن.

• إلكتروليت سائل يحتوي على ملح صوديوم غالبًا ما يكون NaPF₆ أو NaClO₄ —مذابًا في مذيبات قائمة على الكاربونات. وبعض التصاميم تستخدم إلكتروليتات هلامية أو حالة صلبة، لكنها أقل شيوعًا في البطاريات السيارات التجارية اليوم.

• جامعات تيار من الألومنيوم على كلا الجانبين. هذا فرقٌ ذي معنى مقارنةً بخلايا الليثيوم-أيون، حيث يجب استخدام النحاس في جانب الأنود لأن الألومنيوم يتفاعل مع الليثيوم عند الجهود المنخفضة. أما الصوديوم فلا يشكّل سبيكةً مع الألومنيوم عند الجهود الخلوية المعتادة، لذا يمكن استخدام رقائق الألومنيوم في كلا الجانبين، ما يبسّط عملية تصنيع الخلايا ويقلّل تكلفة المواد.

فاصِلٌ مسامي — وعادةً ما يكون غشاءً بوليمرّيًّا — يفصل الكاثود عن الأنود فعليًّا مع السماح في الوقت نفسه بمرور أيونات الصوديوم من خلاله. ويُشرَب الفاصِلُ بالإلكتروليت ويعمل كجسرٍ بين القطبين. ثم تُغلَق الخلية داخل غلافٍ صلب (إما أسطواني أو متوازي السطوح أو على شكل كيس) مع أطراف توصيل تتصل بالخارج في حزمة البطارية.

ما الذي يحدث أثناء التفريغ

عندما توفر البطارية الطاقة — مثلًا عند تشغيل محرك البدء لتدوير المحرك —تتحرك أيونات الصوديوم من الأنود إلى الكاثود عبر الإلكتروليت. وفي الوقت نفسه، تتحرر الإلكترونات عند الأنود، وتسير عبر الدائرة الخارجية، ثم تعود إلى الكاثود.

حركة أيونات الصوديوم وتدفق الإلكترونات

من جهة الأنود، يغادر الصوديوم تركيب الكربون الصلب ويتحول في الإلكتروليت إلى أيونات Na.

من جهة الكاثود، تندمج تلك الأيونات Na في مادة الكاثود بينما تُختزل مادة المضيف في الكاثود بواسطة الإلكترونات القادمة عبر الدائرة الخارجية. وهذان التدفّقان —الأيونات عبر الإلكتروليت والإلكترونات عبر السلك —يجب أن يكونا متساويَي المعدل، ولذلك فإن التيار الخارجي الذي يمكن للبطارية تقديمه محدودٌ جوهريًّا بمدى سرعة انتقال الأيونات داخل الخلية.

في بطارية السيارة، يُمكّن تدفّق الإلكترونات هذا محرك التشغيل والاشتعال والإضاءة ونظام الترفيه والمعلومات، وكذلك جميع الإلكترونيات المدمجة في المركبة. وفي المركبات ذات نظام الإيقاف-التشغيل، تتكرر عملية التفريغ نفسها عدة مرات في كل رحلة: فكلما توقف المحرك عند إشارة المرور، تواصل البطارية تزويد الأنظمة الكهربائية بالطاقة، وكلما أُعيد تشغيل المحرك، تزود البطارية محرك التشغيل بنبضة تيار عالي. ويجب أن تتحمّل الخلية هذا النمط من التفريغ المتكرر بسرعة عالية، وليس فقط تفريغًا عميقًا واحدًا.

_______________________________________________________________________

ما الذي يحدث أثناء الشحن

يُعاكس الشحن تفاعل التفريغ. وبمجرد تطبيق جهد خارجي عبر الخلية —من قِبل المُولِّد في مركبةٍ قيد التشغيل، أو من قِبل شاحن خارجي في ورشة عمل — تترك أيونات الصوديوم الكاثود، وتعود عبر الإلكتروليت، ثم تندمج مجددًا في أنود الكربون الصلب. وفي الوقت نفسه، تُستَخلَص الإلكترونات من الكاثود، وتسير عبر الدائرة الخارجية، ثم تعود إلى الخلية عند الأنود. ويتم تخزين الطاقة عندما تُدفع أيونات الصوديوم مجددًا داخل تركيب الأنود، لتكون جاهزة للإطلاق مجددًا عند التفريغ القادم.

في المركبات ذات نظام التشغيل والإيقاف التلقائي، يقوم المولد الكهربائي بأغلب عملية إعادة الشحن كلما كان المحرك قيد التشغيل. ونادرًا ما تصل البطارية إلى حالة شحن كاملة بنسبة ١٠٠٪ في هذا النوع من الاستخدام — بل تعمل عادةً عند حالة شحن جزئية تتراوح بين ٦٠٪ و٩٠٪ تقريبًا، مع انفجارات قصيرة متكررة من التفريغ والإعادة للشحن. ولذلك، فإن كيمياء البطارية التي تتعامل بكفاءة مع هذه الدورة، والتي تستقبل الشحن بكفاءة عالية عند حالات الشحن الجزئي، تكون أكثر أهمية في تطبيقات التشغيل والإيقاف التلقائي مقارنةً بتلك التي تقدم فقط أعلى سعة ممكنة عند الشحن الكامل.

_______________________________________________________________________

كيف تؤثر درجة الحرارة على التفاعل

تُغيِّر درجة الحرارة أمرين داخل الخلية:

• أيون القدرة على الحركة عند درجات الحرارة المنخفضة، يزداد لزوجة الإلكتروليت ويتباطأ انتقال الأيونات. وهذا يقلل من قدرة الخلية على توصيل أو استقبال تيار عالٍ، وهو أحد الأسباب الرئيسية لفقدان البطاريات لقدرتها على بدء التشغيل في فصل الشتاء.

• التفاعل الديناميكا الكيميائية عند درجات الحرارة الأعلى، تتم تفاعلات الإلكترود بشكل أسرع، لكن ارتفاع الحرارة المفرط قد يُسرّع التفاعلات الجانبية مثل تحلل الإلكتروليت، وذوبان المعادن الانتقالية من الكاثود، ونمو طبقة الواجهة الصلبة بين الإلكتروليت والأنود (SEI). وبمرور الوقت، تؤدي هذه التفاعلات الجانبية إلى خفض السعة وتقليل عمر الدورة.

غالبًا ما يُشار إلى كيمياء أيون الصوديوم على أنها تمتلك أداءً أفضل في نقل الأيونات عند درجات الحرارة المنخفضة مقارنةً ببعض كيميائيات الليثيوم، وذلك لأن طاقة إزالة المذيبات الخاصة بالصوديوم أصغر، وغلافها المذاب أضعف، مما يجعل من الأسهل على الأيون أن يتخلّص من جزيئات المذيب عند واجهة الإلكترود. ومع ذلك، ففي الواقع، يعتمد أداء التشغيل البارد لمنتج سيارة فعلي على تصميم الخلية وتركيب الإلكتروليت وحدود نظام إدارة البطارية (BMS) وهندسة الحزمة، وليس على الكيمياء وحدها. وشهادة الاختبار أو ورقة مواصفات الشركة المصنّعة تكون أكثر موثوقيةً من أي ادعاء عام.

_______________________________________________________________________

لماذا يشكّل نظام إدارة البطارية (BMS) جزءًا أساسيًّا من آلية عمل البطارية

بطارية سيارة أيون الصوديوم ليست مجرد خلايا فقط. بل إن نظام إدارة البطارية (BMS) هو ما يتحكم في كيفية استخدام الخلايا وحمايتها أثناء التشغيل العادي. وفي بطارية البدء-الإيقاف، فإن نظام إدارة البطارية يتعامل عادةً مع ما يلي:

• موازنة الخلايا أثناء الشحن، بحيث تبقى حالات الشحن للخلايا الفردية داخل المجموعة متشابهة. الشحن بحيث تبقى الخلايا الفردية في المجموعة عند حالات شحن متشابهة.

• رصد الجهد والتيار ودرجة الحرارة لكل خلية أو مجموعة خلايا. حلقة تغذية راجعة لكل خلية أو مجموعة خلايا.

• الحماية من الشحن الزائد والتفريغ الزائد والدوائر القصيرة والتيار المفرط. الشحنة الزائدة، والدوائر القصيرة، والتيار المفرط.

• تقدير حالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH)، والتي قد تستخدمها المركبة لاتخاذ قرارات مثل تعطيل وظيفة البدء-الإيقاف أو تخفيف إضاءة الملحقات أو تنبيه السائق. معلوماتٌ قد يستخدمها المركبة لاتخاذ قرار إيقاف نظام التشغيل/الإطفاء التلقائي، أو تخفيف إضاءة الملحقات، أو تنبيه السائق.

• التواصل مع النظام الكهربائي للمركبة باستخدام بروتوكولات مثل لين أو كان، وفقًا للتطبيق.

قد تختلف الكيمياء عن الليثيوم، لكن دور نظام إدارة البطاريات (بي إم إس) يبقى في الأساس نفسه. بالنسبة للمشترين من الشركات إلى الشركات، فهذا يعني أن تقييم بطارية أيون الصوديوم للمركبات لا ينبغي أن يتوقف عند كيمياء الخلايا فقط. بل يجب أخذ برنامج نظام إدارة البطاريات الثابت، وجودة الأجهزة، ودقة الحساسات، والامتثال لبروتوكول الطاقة الكهربائية الخاص بالمركبة في الاعتبار، لأن كلًّا منها يؤثر مباشرةً على الأداء الفعلي، وتكاليف الضمان، ورضا العملاء.

_______________________________________________________________________

كيف تختلف هذه الخلية عن خلية الليثيوم-أيون

مبدأ عمل خلية أيون الصوديوم يشبه مبدأ عمل خلية الليثيوم-أيون: حيث تنتقل الأيونات بين قطبين كهربائيين، وتتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية، وتكون التفاعلات عكسية أثناء عمليات الشحن والتفريغ. أما الاختلافات فهي تكمن أساسًا في المواد المستخدمة وانعكاساتها العملية.

تتضمن الاختلافات الرئيسية ما يلي:

•حجم الأيون. أيونات الصوديوم أكبر من أيونات الليثيوم. وهذا يؤثر في سهولة دخولها وخروجها من هيكل الإلكترود، وهو أحد الأسباب التي تجعل خلايا أيونات الصوديوم عادةً ذات كثافة طاقة أقل مقارنةً بchemistries الليثيوم-أيون السائدة.

• جامعو التيار. يمكن لخلايا أيونات الصوديوم أن تستخدم الألومنيوم على الجهتين، بينما تتطلب خلايا الليثيوم-أيون النحاس في الأنود. والألومنيوم أرخص وأخف وزنًا من النحاس، ما يبسّط تصميم الخلية.

• الموارد التوفر. الصوديوم أكثر وفرةٍ بكثيرٍ من الليثيوم، وأكثر انتشارٍ جغرافيًّا أيضًا. وهذا يؤثر في مسارات التكلفة طويلة الأمد وأمن التوريد، لا سيما في التطبيقات عالية الحجم.

•كثافة الطاقة. تمتلك خلايا أيونات الصوديوم التجارية الحالية عمومًا كثافة طاقة جرمية وحجمية أقل من chemistries الليثيوم-أيون السائدة، رغم أن الفجوة تتفاوت حسب التركيب الكيميائي والجيل.

بالنسبة لفرق المشتريات، السؤال العملي ليس «أي كيمياء أفضل نظريًّا»، بل «أي كيمياء تلبّي متطلبات المركبة المحددة والمناخ ودورة التشغيل عند التكلفة المناسبة». وحقيقة أن الصوديوم والليثيوم يعملان بطرق متشابهة تجعلهما قابلين للمقارنة جزئيًّا، لكنها لا تجعلهما قابلين للتبديل. وللإطلاع على طريقة عمل خلية الليثيوم-أيون عن قرب، راجع قسم «كيف تعمل بطاريات الليثيوم» في مجموعة بطاريات الليثيوم.

_______________________________________________________________________

ما يعنيه هذا لاستخدام نظام الإيقاف والتشغيل الآلي في المركبات

لكي تعمل بطارية الصوديوم-أيون بكفاءة في مركبة ذات نظام إيقاف وتشغيل آلي، يجب أن تتحقَّق عدة شروط في الوقت نفسه:

• الشحن والقبول. يجب أن تدعم تركيبة الخلية قبول شحن عالٍ، حتى يُمكن للمولِّد إعادة شحن البطارية بسرعة بين عمليات إعادة التشغيل وبعد الأحمال العالية للأجهزة المساعدة.

• أمبيرات التشغيل البارد (CCA). ويجب أن تكون درجة CCA كافية لحجم المحرك والمناخ الذي ستُستخدم فيه المركبة. فقد تُوفِّر خلية صوديوم-أيون أداءً قويًّا في التشغيل عند ٢٥ °م ولكنها قد لا توفِّر نفس الأداء عند −20 °°م.

• عمر الدورة عند حالة شحن جزئية. يجب أن تتطابق البطارية مع العدد الكبير من عمليات إعادة تشغيل المحرك المتوقعة في القيادة داخل المدن — فقد تتعرض بطارية نظام الإيقاف والتشغيل في حركة المرور الحضرية لمئات عمليات إعادة التشغيل أسبوعيًّا.

• دمج نظام إدارة البطارية (BMS) يجب أن يتواصل نظام إدارة البطارية (BMS) بشكل سليم مع المركبة وأن يحمي مجموعة البطاريات خلال آلاف الدورات الجزئية. وبغياب الدمج الصحيح لنظام إدارة البطارية (BMS)، يمكن حتى للخلية القوية أن تتلف بسبب شحن غير مناسب أو عمق تفريغ مفرط.

لا يناسب بطارية أيون الصوديوم تلقائيًّا كل مركبة تعمل بتقنية البدء-الإيقاف لمجرد وجود هذه الكيمياء. بل إن مواصفات المركبة والمناخ ونمط الشحن وعمل التحقق الذي تقوم به الشركة المصنِّعة ذاتها كلها عوامل مؤثرة. وينبغي لأفراد فرق المشتريات دائمًا التحقق من ورقة مواصفات المنتج، وطلب إثبات من المورِّد على توافق البطارية مع أنظمة المركبة المحددة التي صُمِّمت البطارية لخدمتها، بدلًا من الاعتماد على تصريحات عامة حول هذه الكيمياء. وللإطلاع على نظرة أوسع حول كيفية استخدام بطاريات الليثيوم في المركبات وغيرها من التطبيقات، راجع دليل عمود بطاريات الليثيوم.

_______________________________________________________________________

الأسئلة الشائعة

هل بطارية أيون الصوديوم هي نفسها بطارية الليثيوم؟ مُفعَّل البطارية؟

كلا. —المبدأ التشغيلي العام — أي الحركة العكسية للأيونات بين قطبين كهربائيين — هو نفسه. —أما المواد المستخدمة فهي مختلفة. فخلايا أيون الصوديوم تستخدم كاثودات مبنية على الصوديوم وأنودات من الكربون الصلب وإلكتروليتات تحتوي أملاح الصوديوم، بينما تستخدم خلايا الليثيوم-أيون كاثودات مبنية على الليثيوم وأنودات من الجرافيت.

هل بطاريات أيون الصوديوم بطاريات تحتاج إلى ب مناسبة للمركبات؟

نعم. تتطلب بطاريات أيون الصوديوم للسيارات نظام إدارة البطارية لمراقبة جهد الخلايا، وتوازن الخلايا، والتحكم في الشحن والتفريغ، وحماية المجموعة من الظروف غير الآمنة.

هل يمكن شحن البطارية باستخدام شاحن عادي الرصاص -حمضي؟

ليس كقاعدة عامة. فلخلايا أيون الصوديوم نوافذ جهد وملفات شحن مختلفة عن بطاريات الرصاص-الحمض. وقد يؤدي استخدام شاحن غير متوافق إلى تلف المجموعة. لذا يجب دائمًا اتباع تعليمات الشركة المصنعة للبطارية بشأن الشحن، واستخدام شاحن معتمد خصيصًا لهذا المنتج من أيون الصوديوم.