פוטנציאל התא פוחת בהשוואה למתח החשמלי של התא הפתוח בשל הפסדי שפעול (בעקבות קינטיקה של תגובות אלקטרוכימיות), הפסדי מעבר מסה, והפסדים אוהמיים. נשים לב כי הזרם הקתודי באלקטרודה החיובית מוגדר כשלילי, בעוד שהזרם האנודי באלקטרודה השלילית מוגדר כחיובי. זאת כיוון שהקוטביות של האלקטרוליט בתוך הבטריה היא הפוכה לזו של המעגל החשמלי החיצוני.
מתח פתוח של התא
ההפרש בפוטנציאל האלקטרודי בצפיפות זרם אפסית נקרא מתח פתוח של התא (open cell voltage) במצב טעינה נתון, כפי שראינו בתמונה הקודמת. המתח הפתוח של בטריה כפונקציה של טמפרטורה במצב טעינה נתון מוצג בביטוי המתמטי הבא:

כאשר E הוא מתח התא, http://www.comsol.com/latex?l=%7b\Delta%20S%7d הוא השינוי האנטרופי של תגובת הבטריה, http://www.comsol.com/latex?l=zהוא מספר האלקטרונים שעברו, ו F הוא קבוע פאראדיי. משמעות הדבר שעבור בטריה עם תגובת פריקה נטו עם שינוי אנטרופי חיובי, מתח התא עולה עם הטמפרטורה. עבור בטריה עם שינוי אנטרופי שלילי, מתח התא יורד כאשר הטמפרטורה עולה.
ברוב סוללות הליתיום-יון שמשתמשים בהן ברכבים החשמליים המודרניים ישנו שינוי אנטרופי מעט שלילי או מאוד קטן, שמעיד על כך שהמתח הפתוח של התא עולה במעט כשהטמפרטורה יורדת. זה כשלעצמו עשוי לשפר את הביצוע בטמפרטורות נמוכות. למרות זאת, השינוי במתח הזה כפונקציה של טמפרטורה הוא יחסית קטן בהשוואה לפרמטרים אחרים, בסביבות 0-0.4 mV/K – שזה פחות מ- 30 mV על פני הטווח שבין טמפרטורות מאוד קרות (35- מעלות צלסיוס) לטמפ’ החדר. אנחנו יכולים אם כך לשלול את האופציה כי התרמודינמיקה של תגובת הפריקה נטו של הבטריה היא הסיבה לביצועים רעים בטמפ’ נמוכות.
המאפיינים הפיזיקליים של האלקטרוליט והאלקטרודות
למאפיינים הפיזיקליים של האלקטרוליט ישנה השפעה רבה על ביצועיה של הבטריה. טמפרטורה משפיעה על המוליכות ועל מקדמי הדיפוזיה באלקטרוליט, לכן משפיעה גם על הולכה ומקדם דיפוזיה אפקטיביים באלקטרוליט הנקבובי.
המוליכות של האלקטרוליט יכולה לעלות בסדר גודל אחד או יותר מטמפ’ מאוד קרות ועד לטמפ’ החדר. אם נבנה תרשים של הלוגריתמים של המוליכות האלקטרוליטית כפונקציה של 1/T, נקבל יחס ליניארי, כפי שרואים בתמונה הבאה. הגרף מציג את המוליכות הנמוכה בטמפ’ נמוכה ואת העלייה האקספוננציאלית כשמגיעים לטמפ’ גבוהות.

עקב כך ההפסדים האוהמיים באלקטרוליט עולים כשהטמפרטורות יורדות, והתוצאה היא מתח תא נמוך יותר בזרם נתון בטמפ’ נמוכות יותר. בנוסף, המוליכות הדלה של האלקטרוליט מביאה לתוצאה של התפלגות צפיפות זרם פחות מאוחדת באלקטרודות הפורוזיביות, אשר בתמורה מורידה את הקיבולת של הבטריה. הקיבולת נמדדת ככמות אמפר לשעה שאפשר לקחת מהבטריה לפני שהמתח יורד במהירות. בטמפרטורות נמוכות, ישנה קיבולת, אך המוליכות הנמוכה והתפלגות צפיפות הזרם הלא מאוחדת הופכים את הקיבולת לבלתי זמינה לשימוש עד אשר הבטריה מתחממת.
זאת ועוד, מקדמי הדיפוזיה של הריכוזים הכימיים באלקטרוליט, שהם חיוניים להזנה של התגובות האלקטרוכימיות, מונמכים לאותו שיעור של המוליכות האלקטרוכימית. מקדמי דיפוזיה נמוכים מגבירים את הפוטנציאל העודף של הריכוז, אשר מנמיך את מתח התא. מקדם דיפוזיה נמוך מוריד גם את קיבולת הבטריה, כיוון שחלק גדול יותר של החלקיקים באלקטרודות אינם נגישים בשל הגבלות של מעבר המסה.
נשים לב כי המוליכות ומקדם הדיפוזיה של האלקטרוליט קשורים שניהם לניידות. ההסבר הפיזיקלי לניידות הנמוכה הוא שיש פחות אנרגיה תרמית זמינה באלקטרוליט, דבר המקשה על יונים ועל מולקולות להתגבר על האינטראקציות ועל החיכוך המשותפים שלהם. הניידות באלקטרוליטים כפונקציה של טמפרטורה מתוארת במשוואת ארניוס, בה אנרגיית השפעול מייצגת את האנרגיה הדרושה למולקולות על מנת לגבור על האינטראקציות עם המולקולות השכנות ולנוע באלקטרוליט.
החומר האלקטרודי המוצק הוא לרוב בעל מוליכות שהיא גדולה בכמה סדרי גודל מזו של האלקטרוליט הנקבובי. שינוי המוליכות עם טמפרטורה בחומר המוצק הוא לרוב זניח במונחי ביצועי בטריה. למרות זאת, בבטריות מסוימות, טעינה מחדש עשויה להיות בעייתית בטמפ’ קרות, כיוון שזה עלול להוביל למבנה דנדריט שיהרוס את הבטריה.
קינטיקה של אלקטרודה
התרומה הגדולה לביצועים הדלים של הבטריות בטמפרטורות נמוכות היא הקינטיקה האיטית של התגובות האנודיות והקתודיות, שמובילה לעודף פוטנציאל שפעול. ההסבר הפיזיקלי לקינטיקה האיטית של האלקטרודות הוא שנהיה יותר קשה להתגבר על אנרגיית השפעול בשל הכמויות הנמוכות של אנרגיה תרמית זמינה במערכת בטמפ’ נמוכות.
הגרף הבא מציג את ההשפעה הכוללת על ביצועי הבטריה כשלוקחים בחשבון עלייה בהפסדי שפעול, בהפסדים האוהמיים, ובהפסדי מעבר המסה. אנחנו יכולים לראות כיצד העלייה בעודף הפוטנציאל הכולל גורמת לתוצאה של מתח תא נמוך בהינתן זרם ומצב טעינה מסוימים.

קירור המערכת
מערכות מודרניות של בטריות ברכבים חשמליים מצויידות במערכות מתקדמות של צלעות קירור. מערכות אלו מסוגלות לקרר את הבטריה כאשר היא פועלת בעומסים גבוהים, ולחמם אותה כאשר היא מחוברת לחשמל במהלך לילות קרים.

מערכת הקירור שומרת את הבטריה בטווח טמפרטורות אופטימאלי (התמונה הקודמת). נשים לב כי הגרף מתייחס לטמפ’ ההפעלה של הבטריה, לא לטמפ’ שבסביבה. מערכת הקירור מורידה בנוסף את הסיכון לבריחה תרמית בבטריות ליתיום-יון.
חימום הבטריה בטמפ’ נמוכות אומר בנוסף כי היעילות והטווח של המנוע החשמלי מצטמצמים כיוון שחלק מההספק החשמלי המתחדש חייב להפוך לחום על מנת להשאיר את הבטריה בטווח הפעולה האופטימלי. נוסף על כך, חלק מהאנרגיה עשויה להיות מנוצלת לחימום תא הנהג, דבר שגם הוא מפחית את יעילות הרכב וטווח הנסיעה שלו.
Recent Comments