مقدمة
خلية العملة المعدنية هي خلية مفردة صغيرة على شكل أسطوانة أو زر. تُستخدم في العديد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة الصغيرة اليومية بما في ذلك الساعات والآلات الحاسبة وأجهزة التحكم عن بعد والألعاب الإلكترونية ومصابيح LED الصغيرة وما إلى ذلك. ويتم تصنيعها بكميات ضخمة كل عام في جميع أنحاء العالم. هناك عدة أنواع مختلفة من الخلايا المعدنية بناءً على التركيب الكيميائي بما في ذلك الخلية الفضية والخلية القلوية وخلية الزنك والهواء وخلية الليثيوم. بعضها غير قابل لإعادة الشحن، في حين أن بعضها قابل لإعادة الشحن مثل خلايا الليثيوم أيون المعدنية أو خلايا الليثيوم أيون أو خلايا Ni-MH المعدنية. ومقارنة بالخلايا غير القابلة لإعادة الشحن التي يمكن التخلص منها، فإن الخلايا القابلة لإعادة الشحن تكلف أكثر في البداية، ولكن العمر الافتراضي الطويل للخلايا القابلة لإعادة الشحن يجعلها استثماراً أفضل للمستهلكين. بالإضافة إلى أن الخلايا القابلة لإعادة الشحن أقل تأثيراً على البيئة لأن المواد الكيميائية للبطاريات غالباً ما تكون سامة ويمكن أن تلوث البيئة. كما توفر خلايا الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن كثافة طاقة وسعة أعلى.
ستؤثر العديد من المعلمات على أداء الخلايا المعدنية القابلة لإعادة الشحن بما في ذلك درجة الحرارة وظروف التدوير. من المهم جدًا بالنسبة لمصنّع الخلايا المعدنية معرفة توليد الحرارة أثناء دورات الشحن/التفريغ من أجل فهم كفاءة طاقة الخلية وتحسين أداء الخلية وعمرها. ومن الضروري أيضًا أن تكون قادرًا على فحص سلامة الخلية المعدنية بأكملها عند تعرضها لدرجة حرارة عالية. توضح هذه المذكرة التطبيقية ركوب الدراجات المتساوية الحرارة لخلية عملة أيونات الليثيوم في نظام جديد يشبه نظام DSC مخصص للبحث ومراقبة جودة بطارية الخلية المعدنية.
الأجهزة
الأداة الجديدة المستخدمة هي وحدة الخلايا المعدنية ذات درجة الحرارة العالية على NETZSCH MMC 274 Nexus® (الشكل 1). وهو النظام الوحيد الشبيه بنظام DSC للبحث ومراقبة جودة بطارية الخلايا المعدنية في العالم. المكون الرئيسي لهذا الجهاز الجديد هو المستشعر (الشكل 2 و3). ويتميز بتصميم مبتكر للقياس التفاضلي يعتمد على الكابل الحراري لتحسين حساسية واستقرار قياس تدفق الحرارة.
وهو مصمم لحمل بطارية خلية معدنية كاملة كعينة. يمكن توصيل جهاز تدوير البطارية الخارجي بالجهاز بسهولة من خلال موصل LEMO للتوصيل والتشغيل. يمكن إجراء تدوير متساوي الحرارة لخلية العملة بسهولة في ظل ظروف شحن/تفريغ مختلفة. يمكن للأداة الجديدة أيضًا إجراء مسح DSC على خلية عملة كاملة وهو ما لم يكن ممكنًا من قبل.
النتائج
استُخدمت بطارية خلية ليثيوم أيون الليثيوم ذات عملة معدنية LiR2032 كعينة واستخدمت كتلة ألومنيوم من نفس الحجم كمرجع. تم الحفاظ على الخلية عند درجة حرارة 40 درجة مئوية طوال التجربة. تم تنفيذ الشحن والتفريغ بجهد تيار ثابت - جهد ثابت (CCCV) عند 40 مللي أمبير من 4.2 فولت إلى 3.0 فولت باستخدام جهاز تدوير خارجي للبطارية. تم إجراء العديد من الدورات وكانت بيانات التدفق الحراري قابلة للتكرار تمامًا. تُظهر البيانات أن الشحن يتميز بتفاعل ماص للحرارة قصير يتبعه تفاعل طارد للحرارة صغير بينما يتميز التفريغ بتفاعل طويل طارد للحرارة (الشكل 4). يمكن دمج البيانات بسهولة للحصول على الطاقة الكهربائية الداخلة أو الخارجة من الخلية المعدنية والحرارة المنبعثة في نفس الوقت (الشكل 5). وهذا يجعل حساب كفاءة البطارية مباشرة لكل من عمليتي الشحن والتفريغ كما هو موضح في الشكل 4. وبدون المعلومات الحرارية من مسعر خلية العملة HT، لا يمكن تقدير الكفاءة إلا من خلال قياس الحرارة من خلال قياس الحرارة في خلية العملة.
الخاتمة
وحدة الخلايا المعدنية الجديدة ذات درجة الحرارة العالية في MMC 274 Nexus® هي مسعر مخصص لتحليل الخلايا المعدنية. ويتضمن المستشعر المبتكر مبدأ التفاضل للحصول على بيانات عالية الجودة. تم تصميم المستشعر لاستيعاب بطارية الخلايا المعدنية التجارية ذات الأحجام المختلفة. يمكن تحميل وتفريغ بطارية خلية عملة كاملة بسهولة. يتيح البرنامج المرن كلاً من وضعي متساوي الحرارة والمسح الضوئي لتوصيف كامل لخلية العملة. وبفضل هذه الأداة الجديدة، يمكن الحصول على معلومات دقيقة عن تدفق الحرارة أثناء اختبار الشحن/التفريغ في ظروف مختلفة. يمكن حساب كفاءة البطارية مباشرة مع إجمالي الحرارة المتضمنة أثناء فترة الشحن أو التفريغ. هذه المعلومات مفيدة جدًا للباحثين في مجال البطاريات لاكتساب نظرة ثاقبة في كيمياء البطارية داخل الخلية وفهم أداء البطارية.