في مجال البحث والتطوير لمختبرات بطاريات الليثيوم، بدءًا من تحضير الأقطاب الكهربائية وصولًا إلى تجميع البطاريات واختبار أدائها، يتطلب الأمر مجموعة من المعدات المتخصصة لدعم هذه العملية. وتعتمد دقة واستقرار هذه الأجهزة بشكل مباشر على موثوقية بيانات البحث. تركز هذه المقالة على معدات بطاريات الليثيوم شائعة الاستخدام في المختبرات، وتحلل وظائفها وتطبيقاتها.
I. المعدات الأساسية لإعداد الأقطاب الكهربائية
1.خلاطة الطين الفراغية الصغيرة
بصفتها جهازًا أوليًا لتحضير الأقطاب الكهربائية، تتمثل وظيفتها الأساسية في تحقيق توزيع موحد للمواد الفعالة، والمواد الموصلة، والمواد الرابطة، والمذيبات. يتميز هذا الجهاز المختبري الشائع الاستخدام بحجم فعال يتراوح بين 0.2 و3 لترات، ويدعم تعديلًا مستمرًا للسرعة يتراوح بين 50 و500 دورة في الدقيقة، ومجهز بدرجة تفريغ ≤ -0.095 ميجا باسكال. هذا يمنع تكون الفقاعات في الملاط. على سبيل المثال، عند تحضير ملاط الأقطاب الكهربائية الموجبة الثلاثية، يتحكم الجهاز بدقة في درجة حرارة الغرفة إلى -80 درجة مئوية لمنع التبخر السريع لمذيب ن م ب، مما يضمن استقرار لزوجة الملاط، ويهيئ الأرضية للطلاء اللاحق.
2. آلة طلاء سكين التنظيف الصغيرة
الآلة طلاء يجب تغطية الملاط المختلط بالتساوي على مجمع التيار (رقاقة ألومنيوم/رقاقة نحاس). تستخدم نماذج المختبرات عادةً سكين تنظيف لضبط السُمك، بدقة ±5 ميكرومتر. يدعم الجهاز سرعة طلاء قابلة للتعديل تتراوح بين 1 و50 مم/ثانية، وهو مناسب لأنواع مختلفة من الملاط اللزوجة. على سبيل المثال، عند طلاء ملاط الأقطاب السالبة المصنوع من السيليكون، يجب خفض السرعة إلى 5-10 مم/ثانية لتجنب ظهور خطوط في الملاط بسبب اللزوجة العالية، مما يضمن اتساق سُمك صفيحة القطب.
3. فرن التجفيف بالتفريغ ومكبس الأسطوانة
يجب تجفيف صفيحة القطب المغلفة بالتفريغ في فرن تجفيف لإزالة المذيب. تتميز معدات المختبر بدقة تحكم في درجة الحرارة تبلغ ±1 درجة مئوية ودرجة تفريغ ≤ -0.098 ميجا باسكال. ويمكن ضبط برنامج رفع درجة الحرارة تدريجيًا (مثل 60 درجة مئوية/ساعتين → 80 درجة مئوية/أربع ساعات) لمنع تشقق صفيحة القطب. يجب ضغط صفيحة القطب المجففة بواسطة مكبس أسطواني. يمكن ضبط ضغط مكبس الأسطوانات الصغير في المختبر ضمن نطاق 0-50 كيلو نيوتن، ويتراوح قطر الأسطوانة في الغالب بين 80 و120 مم. من خلال التحكم في الضغط (مثل 20-30 كيلو نيوتن للقطب الموجب و15-20 كيلو نيوتن للقطب السالب)، يمكن تعديل كثافة صفيحة القطب، مما يؤثر على سعة البطارية وأداء الدورة.
الثاني. معدات تجميع البطاريات وعزلها
1. صندوق القفازات (حماية من الغاز الخامل)
عند تجميع البطاريات الأسطوانية والأكياسية، يوفر صندوق القفازات بيئة جافة وخالية من الأكسجين (محتوى الماء والأكسجين ≤ 1 جزء في المليون)، مما يمنع الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت من التلامس مع الهواء. تستخدم المختبرات عادةً صناديق قفازات مزدوجة المحطة، مزودة بأنظمة تنقية غازية وغرف نقل تفريغ، لإتمام عمليات مثل قطع صفائح الأقطاب الكهربائية، واللف (أو التكديس)، وتنقيط الإلكتروليت. على سبيل المثال، عند تجميع بطاريات الحالة الصلبة، يجب تنفيذ العملية بأكملها داخل صندوق القفازات لمنع إلكتروليت الحالة الصلبة من امتصاص الرطوبة وفقدان فعاليته.
2. آلة ختم البطاريات الأسطوانية
بالنسبة للبطاريات الأسطوانية الشائعة مثل سي آر 2032، تستخدم آلة الختم المخبرية طرق ضغط هيدروليكية أو يدوية، مع ضغط ختم قابل للتعديل (عادةً ما يكون 0.5-2 ميجا باسكال). يجب أن تضمن الآلة أداءً ختميًا جيدًا لمنع تسرب الإلكتروليت، وكذلك منع الضغط الزائد من التسبب في تشوه غلاف البطارية، مما يؤثر على الاختبارات اللاحقة.
ثالثًا. المعدات الرئيسية لاختبار الأداء
1. جهاز اختبار البطارية (نظام اختبار الشحن والتفريغ)
يُستخدم هذا الجهاز الأساسي لاختبار معايير مثل سعة البطارية، وعمر دورة الشحن، وأداء معدل الشحن. عادةً ما تحتوي نماذج المختبرات على 8-32 قناة، بنطاقات تيار تتراوح بين 0.001 و10 أمبير، ودقة جهد ±0.1 ملي فولت. أثناء الاختبار، يمكن ضبط أنظمة شحن وتفريغ متعددة، مثل الشحن بتيار ثابت وجهد ثابت (نسخة-السيرة الذاتية) والشحن والتفريغ التدريجي، لتلبية احتياجات بحثية مختلفة. على سبيل المثال، عند اختبار أداء دورة شحن البطارية، غالبًا ما يُستخدم معدل شحن وتفريغ 1C، ويُسجل معدل الاحتفاظ بالسعة بعد 500 دورة.
2. محطة عمل كهروكيميائية
يُستخدم هذا الجهاز بشكل رئيسي في التحليلات الكهروكيميائية، مثل معاوقة التيار المتردد (نظام معلومات الطاقة) والفولتامتري الدوري (السيرة الذاتية)، وذلك لاستكشاف الخصائص المجهرية، مثل مقاومة نقل الشحنة ومعامل انتشار أيونات الليثيوم في البطارية. تستخدم المختبرات عادةً محطات عمل بنطاق تردد يتراوح بين 10 ميكروهرتز و1 ميجاهرتز، ودقة تيار تبلغ 1 بيكو أمبير. ويمكن تزويدها بتركيبات خاصة لإجراء اختبارات ميدانية للبطاريات الأسطوانية والجيبية، مما يوفر بيانات تدعم تحليل آليات تدهور البطاريات.
رابعًا: التعاون في مجال المعدات وقيمة البحث
يجب أن تُشكّل معدات بطاريات الليثيوم في المختبر حلقةً مغلقةً من التحضير والتجميع والاختبار: على سبيل المثال، من خلال آلة خلط الملاط وآلة الطلاء للتحكم في جودة صفيحة الأقطاب الكهربائية، وبعد التجميع في صندوق القفازات، يُستخدم جهاز الاختبار ومحطة العمل للتحقق من الأداء، ثم تُستخدم نتائج الاختبار لتحسين معلمات المعدات (مثل ضبط وقت الخلط وسمك الطلاء) بشكل عكسي. لا يضمن نظام المعدات هذا تكرار التجارب صغيرة النطاق فحسب، بل يتحقق أيضًا بسرعة من إمكانية تطبيق المواد الجديدة (مثل مواد الكاثود الجديدة، وإلكتروليتات الحالة الصلبة)، مما يوفر دعمًا رئيسيًا للتطوير التكراري لتكنولوجيا بطاريات الليثيوم.
