تطبيق ألواح العزل الفراغي الخاصة (VIP) في إدارة الحرارة للبطاريات

فانغلو شي     سانجونغ ليو      فوتساي هوا

(مركز التكنولوجيا، شركة فوجيان سوبرتك للمواد المتقدمة المحدودة، شيامن، 361021)

الملخص: تُعدّ مواد العزل من المواد الأساسية التي لا غنى عنها في أنظمة إدارة الحرارة للبطاريات. وقد أظهرت ألواح العزل الفراغية الخاصة (VIP) آفاقًا واعدة في تحسين أداء أنظمة البطاريات بفضل خصائصها المتميزة في العزل ومقاومة الحريق. وتقدم هذه الورقة ولأول مرة بشكل منهجي المؤشرات الرئيسية لأداء ألواح العزل الفراغية المعدنية وألواح العزل الفراغية فائقة الرقة، كما تُجري اختبارات وتحاليل حول أداء العزل الحراري وخصائص انتقال الحرارة الديناميكية، وتقارن ذلك مع المنتجات الحالية من لباد الهلام الهوائي. وتُستخدم هذه الألواح في عزل حزم البطاريات، مما يُحسّن بشكل كبير قدرتها على التكيف مع البيئات منخفضة الحرارة وزيادة متانتها، كما تساهم في الحد من انتشار الانهيار الحراري للبطارية. وفي الوقت نفسه، تتميز بجدوى اقتصادية عالية. وتُظهر النتائج أن النوع الجديد من منتجات العزل الفراغي الخاصة يمتاز بمزايا أكبر في التصميم المتكامل لتبريد الحرارة والعزل ومنع الحريق في أنظمة البطاريات وتخزين الطاقة.

كلمات رئيسية: ألواح العزل الفراغية الخاصة؛ الموصلية الحرارية؛ النفاذية الحرارية؛ إدارة حرارة البطارية؛ الانهيار الحراري

نبذة عن المؤلف: Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male  Ethnicity: Han  Native Place: Zhengning, Gansu Province  Education: Master’s Degree  Title: Senior Engineer  Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application

0．أنامقدمة

لقد أسهم ظهور مركبات الطاقة الجديدة الكهربائية في معالجة المشكلات المتعلقة بالطاقة والبيئة التي تسببها المركبات التقليدية بشكل فعال. وباعتبار البطارية المكوّن الأساسي في المركبات الكهربائية، فإن عمرها وكفاءة استخدامها يحددان أداء المركبة. ومن بين العوامل المؤثرة في عمر البطارية، يُعدّ أهمها درجة حرارتها التشغيلية؛ إذ إن ارتفاعها أو انخفاضها الشديدين يمكن أن يؤثر بشكل كبير على أداء البطارية. فدرجات الحرارة المنخفضة تقلل كفاءة الشحن والتفريغ، بينما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تقصير عمر البطارية. وإذا خرجت درجة الحرارة عن السيطرة، فقد يؤدي ذلك إلى انفجارات وحوادث أمان أخرى. لذلك، يُعدّ ضمان تشغيل البطارية ضمن نطاق حراري آمن شاغلاً رئيسياً لكافة أفراد القطاع.

وخاصة مع ارتفاع كثافة طاقة البطاريات، تم تحسين مدى السير بشكل سريع، إلا أن موثوقية المنتج وسلامته أصبحا أكثر بروزًا. وقد أدت حوادث السلامة الناجمة عن الانهيار الحراري للبطارية إلى إعاقة تطور مركبات الطاقة الجديدة. وعلى الرغم من خضوع البطاريات قبل خروجها من المصنع لاختبارات صارمة وفق لوائح السلامة المختلفة لضمان الاستخدام الآمن، فإن ذلك لا يزال غير كافٍ لمنع حوادث الانهيار الحراري تمامًا.

يقوم مبدأ عمل بطاريات الطاقة الجديدة على إنتاج الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية، وبالتالي فإن هذا التفاعل يرتبط حتمًا ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة نظام البطارية. وقد أجرى العديد من الباحثين دراسات نمذجة ومحاكاة مفصلة حول الخصائص الحرارية للبطاريات وتأثير درجة الحرارة على أداء البطارية وعمرها [1]. فعلى سبيل المثال، أثبت ساتو [2] وآخرون أنه عندما تتجاوز درجة حرارة البطارية 50 درجة مئوية، تنخفض كفاءة التفريغ وعمر البطارية بشكل ملحوظ؛ كما أشار خطيب [3] وآخرون إلى أنه عند تجاوز درجة حرارة حزمة البطارية نطاق التشغيل الأمثل، تتدهور تجانس درجة الحرارة داخل الحزمة، مما قد يؤدي إلى حدوث انهيار حراري وحوادث أمان ناجمة عن الحريق؛ فيما اقترح بيساران [4] وآخرون أن درجة الحرارة المثلى لتشغيل البطارية ينبغي أن تُضبط ضمن نطاق 25-40 درجة مئوية. لذلك، فإن تطوير تقنيات فعالة للتبريد والعزل، وبناء نظام لإدارة حرارة البطارية يُبقيها ضمن نطاق حراري مناسب، يعد أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الطبيعي ومنع وقوع حوادث أمان.

يمكن تصنيف تقنيات إدارة حرارة البطارية إلى تقنيات سلبية وتقنيات نشطة بناءً على ما إذا كانت تستهلك طاقة إضافية أم لا. ووفقًا لاختلاف وسائط نقل الحرارة وطرق التبادل الحراري، يمكن تصنيف إدارة الحرارة أيضًا إلى أنماط مثل التبريد بالهواء، والتبريد بالسائل، واستخدام المواد ذات التغير الطوري (PCM)، وأنابيب نقل الحرارة.

لا يشمل إدارة الحرارة في البطاريات فقط التحكم بدرجة حرارة حزمة البطارية، بل يشمل أيضًا العزل وتبديد الحرارة بين الخلايا. يرتبط الأول بشكل أكبر بجودة تشغيل نظام البطارية والطاقة، بينما يركز الثاني أكثر على عملية الانفلات الحراري وانتشار درجة الحرارة داخل البطارية، وهو ما يرتبط بالسلامة. وفيما يتعلق بأبحاث تقنيات إدارة الحرارة للبطاريات الليثيوم، فقد تم الإبلاغ على نطاق واسع في الأدبيات عن أساليب مختلفة للتبريد وتبادل الحرارة [5]، إلا أن هناك القليل من التقارير حول تحليل خصائص مواد العزل المستخدمة في إدارة الحرارة. في الواقع، تلعب مواد العزل دورًا مهمًا جدًا في إدارة حرارة البطارية، وتختلف المؤشرات التي تُؤخذ بعين الاعتبار باختلاف التطبيقات. إن اختيار المادة العازلة المناسبة أمر حاسم لتحسين مستوى إدارة الحرارة [6]. بالإضافة إلى ذلك، فإن التطور السريع لتكنولوجيا بطاريات الطاقة الجديدة قد جعل تطوير مواد عازلة جديدة أو هياكل عازلة أكثر إلحاحًا، وفرض متطلبات جديدة:
(1) يمكن أن يؤدي الانفلات الحراري في بطاريات الطاقة الناجم عن سوء الاستخدام الكهربائي أو الميكانيكي أو الدوائر القصيرة وغيرها، إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة خلال فترة قصيرة. ولا تستطيع المواد العازلة التقليدية ولا حلول التبريد السائلة حل هذه المشكلة تمامًا.
(2) تستخدم السيارات التقليدية الحرارة المهدرة لتوفير بيئة مريحة لمقصورة الركاب دون استهلاك طاقة إضافية، بينما تتطلب إدارة الحرارة في مركبات الطاقة الجديدة أساسًا استهلاك طاقة البطارية نفسها للحفاظ عليها. لذلك، يصبح تطوير مواد عازلة عالية الكفاءة، وخاصة تلك ذات الموصلية الحرارية المنخفضة جدًا، أمرًا ضروريًا للغاية.
(3) مع استمرار ارتفاع متطلبات السوق للكثافة الطاقوية لبطاريات الطاقة، يتمثل أحد الحلول في استخدام مواد عازلة أفضل لزيادة عدد الخلايا داخل حزمة البطارية، مما يرفع الكثافة الطاقوية ومدى السير، أو تقليل حجم حزمة البطارية لزيادة المساحة الداخلية وضمان تجربة قيادة مريحة.

(4) لتمكين مركبات الطاقة الجديدة من التكيف مع مختلف البيئات، خاصةً في فصل الشتاء البارد في المناطق الشمالية حيث تنخفض درجات الحرارة الخارجية غالبًا إلى ما دون -10℃، يواجه هذا النوع من المركبات صعوبة في الحفاظ على نطاق درجات الحرارة الطبيعي المطلوب لبطاريات الطاقة أثناء التوقف. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض سعة البطارية وعمرها الافتراضي. ولذلك، يتعين على نظام البطارية اعتماد تدابير فعالة وموثوقة للحفاظ على الحرارة.
(5) استجابةً للمشكلات الأمنية التي كشفتها المركبات الكهربائية، أصدرت الوزارات والهيئات المعنية على نحو متتابع العديد من المعايير الوطنية الإلزامية [7-9]، مما عزز المتطلبات الأمنية بشكل أكبر، ونصّ بوضوح على ضرورة ألا تشتعل بطارية النظام أو تنفجر خلال “خمس دقائق” بعد حدوث الانفلات الحراري، مما يوفر وقتًا ذهبيًا للإخلاء الآمن للركاب. وأي حل لمشكلة الانفلات الحراري لا يمكن أن يستغني عن مواد عازلة ممتازة للحرارة.

1．مواد العزل الحراري الشائعة لإدارة حرارة البطاريات

حاليًا، المواد الشائعة الاستخدام في بطاريات الطاقة تشمل الرغوة، والألياف، وحصائر الأيروجل، ولوح العزل الفراغي الخاص (VIP)، بالإضافة إلى المعادن فائقة الرقة؛ ولكل منها مزايا وعيوب. وباعتبار هذه المواد مواد عازلة للحرارة، فإن معامل التوصيل الحراري يعد المقياس الرئيسي لقياس أدائها. يوضح الشكل (1) الفروق بين معاملات التوصيل الحراري لأربعة أنواع شائعة من المواد العازلة؛ وعند تحقيق نفس أداء العزل الحراري، تختلف أيضًا سماكة طبقات العزل. تتميز الرغوة والألياف بأداء عزل حراري ضعيف نسبيًا ويصعب تركيبها، لكن تكلفتها منخفضة. أما اللباد المركب من الأيروجل فهو يُصنع عبر دمج نوع جديد من مسحوق النانو للأيروجل مع الألياف؛ ويتمتع المنتج بمعامل توصيل حراري منخفض، وبسماكة تبلغ فقط من نصف إلى خمس سماكة المواد التقليدية. كما يتميز بمقاومة ممتازة للحرارة، ونطاق تشغيلي واسع (-196 إلى 1000℃)، وأداء مستقر. وقد تم تطبيق هذا المنتج في نظام إدارة الحرارة لبطاريات الطاقة الجديدة [20]. ومع ذلك، فإن لباد الأيروجل ذو الأداء الممتاز يُعد مرتفع التكلفة نسبيًا. ومع ازدياد متطلبات أداء العزل في أنظمة إدارة الحرارة، تواجه تحسينات أدائه تحديات أيضًا.

الشكل 1: أداء العزل الحراري لأربعة أنواع من المواد العازلة للحرارة

يُظهر الشكل (2) منتج لوحة العزل الفراغي (VIP)، وهو جيل جديد من مواد العزل الحراري عالية الكفاءة. يتكون اللب الأساسي من ألياف أو مساحيق، بينما تضمن طبقة الغشاء عالية الحاجز إحكام الإغلاق الفراغي. ويتحقق العزل الحراري الجيد عبر عزل توصيل الحرارة عبر الغاز بشكل فعال عن طريق إحداث فراغ داخل المادة. يتمتع المنتج بمعامل توصيل حراري منخفض للغاية، كما أن هيكله العازل مدمج، إذ يبلغ سمكه فقط من ثمن إلى عُشر سماكة المواد التقليدية. ولا يمتص الماء، كما أنه مقاوم للتآكل الحمضي والقلوي. وقد شاع استخدام هذا المنتج في الأجهزة المنزلية، والصناعات الكيميائية، ومجالات الطاقة الجديدة. وتتيح خصائص التوصيل الحراري المنخفض ومعامل الانتشار الحراري الضئيل لدى منتجات VIP الخاصة خيارات تصميم مدمجة لبطاريات الطاقة الجديدة، مع تعزيز إضافي للأمان.

الشكل 2. لوحة العزل الفراغي(كبار الشخصيات)

2．أداء وخصائص انتقال الحرارة لـ VIP المعدني وVIP فائق الرقة

2.1 هيكل VIP المعدني وأداء العزل الحراري 

يستخدم VIP المعدني رقائق الألومنيوم أو رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ كمواد للغشاء، فيما تُستخدَم ألياف البازلت وأكسيد السيليكون العالي وغيرها كمواد أساسية. وبعد إجراء عملية الفراغ، يتم إغلاق المنتج باللحام. يتميز المنتج بمقاومته لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، وانخفاض معامل التوصيل الحراري، واستقرار الأداء، ومقاومة الثقب، وامتلاكه لدرجة حريق A وعدم قابليته للاشتعال. وهو مادة عازلة للحرارة عالية الكفاءة أخرى مفضلة، إلى جانب ألياف السيليكون العالي ولباد الأيروجل. وتُعرض مؤشراته الرئيسية في الجدول (1).

الجدول 1: المؤشرات الرئيسية لأداء VIP المعدني
التوصيل الحراري المركزي (25℃)	＜3 مللي واط/（م·ك）
الوزن بالجرام (سمك 1.5 مم)	1.3-2.0 كغ/م³2
Iاختبار معدل التسرب الكلي	≤10-10باسكال·متر3ثانية
نطاق درجات الحرارة القابل للتطبيق	-253 إلى 1000℃

(أ) معدات اختبار الاستجابة الحرارية     ب) الرسم التخطيطي لمبدأ الاختبار

الشكل 3: جهاز اختبار استجابة درجة الحرارة

لتقييم خصائص غير المستقرة لعملية انتقال الحرارة ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة لدى VIP المعدني، تم قياس استجابات درجات الحرارة على السطحين البارد والحار باستخدام جهاز الاختبار الموضح في الشكل (3). وعند إبقاء السطح الساخن (سطح التسخين) عند درجات حرارة مرتفعة تبلغ 200℃، و400℃، و600℃، ترتفع درجة حرارة السطح البارد تدريجيًا مع مرور الوقت كما يظهر في الشكل (4)، لتصل إلى 23.4℃، و26.8℃، و123.1℃ على التوالي. ودون مستوى 400℃، تكون درجة حرارة السطح البارد قريبة جدًا من درجة حرارة الغرفة. وحتى عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ 600℃، يُظهر VIP المعدني أداءً ممتازًا في العزل الحراري؛ إذ تبلغ درجة حرارة الجانب البارد 123.1℃ فقط، ويصل فرق درجة الحرارة بين الجانبين الساخن والبارد إلى 476.9℃. كما يُظهر VIP المعدني بسماكة 8 ملم أداءً عازلًا ممتازًا للحرارة ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة.

الشكل 4: منحنى استجابة درجة حرارة السطح البارد للعينة

يتم ملء الجزء الداخلي من حاوية VIP المعدنية بمواد أساسية مقاومة لدرجات الحرارة العالية ومفرغة من الهواء، مما يضمن أداءً ممتازًا في عزل الحرارة في الاتجاه العمودي على الحاوية المعدنية. أما المادة الخارجية المغطية فمصنوعة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ. وتتميز عملية انتقال الحرارة في هذه البنية الفريدة لـ“تبديد الحرارة – عزل الحرارة – تبديد الحرارة” بخصائص انتقال حراري ثنائي الأبعاد، كما هو موضح في الشكل (5). ومن نتائج صورة التصوير الحراري (6)، يتضح أن درجة حرارة سطح حاوية VIP المعدنية تنتشر بسرعة وتتناقص في جميع الاتجاهات، مع اتخاذ منطقة التسخين مركزًا لها، كما تتمتع بتأثير جيد في تبديد الحرارة في الاتجاه الموازي لسطح اللوح. وإذا تم اختيار المادة المغطية كمادة ذات موصلية حرارية عالية مثل رقائق الألومنيوم وربطها بنظام تبديد الحرارة الخاص بإدارة الحرارة، فإن عزل الحرارة الجيد في الاتجاه العمودي على سطح اللوح يؤدي إلى تقليل كبير في انتقال الحرارة بين خلايا البطارية، مما يؤخر بشكل ملحوظ انتشار الحرارة، ويتيح نقل الحرارة المتراكمة عبر سطح اللوح الموازي وإزالتها عبر نظام تبديد الحرارة، أو تقليل الحمل الحراري بشكل فعال، وبالتالي تحقيق إدارة حرارية جيدة للبطارية.

الشكل 5: انتقال الحرارة ثنائي الأبعاد        الشكل 6: التصوير الحراري للعينة  رسم تخطيطي لـ VIP المعدني                   

2.2 أداء مميز في عزل الحرارة وعائد مرتفع من حيث التكلفة

يُظهر الشكل (7) اختبار المقارنة لاستجابة درجة حرارة الجانب البارد لحاوية VIP المعدنية بسمك 8 ملم وحشوة الأيروجل بسمك 9 ملم، بنفس الأبعاد الطولية والعرضية، تحت ظروف 400℃ و600℃ على الجانب الساخن. وبالمقارنة مع حشوة الأيروجل، تكون درجة حرارة الجانب البارد لحاوية VIP المعدنية أقل بكثير، بمقدار فرق قدره 148.4℃ و204.8℃ على التوالي. وخلال عملية التسخين السريع (غير المستقرة) التي يتم فيها تسخين السطح الساخن باستمرار من درجة حرارة الغرفة إلى 200℃ و400℃، تظهر أيضًا فروق كبيرة في درجة حرارة السطح البارد لحاوية VIP المعدنية مقارنةً بحشوة الأيروجل. وتُعرض استجابات درجات الحرارة للجانبين البارد والساخن في الشكل (8). لذلك، وبسبب انخفاض الموصلية الحرارية أو معامل الانتشار الحراري لدى حاوية VIP المعدنية، تتباطأ بشكل كبير سرعة انتشار الحرارة أو انتشارها، مما يوفر وقتًا أطول للإخلاء الآمن أثناء الانفجار الحراري للبطارية أو يقلل بشكل كبير الحمل الحراري لنظام التبريد الخاص بإدارة الحرارة. وبالنسبة لبطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات، قد تصل درجة حرارة الانفجار الحراري القصوى لخلايا البطارية إلى 700-800℃. وفي الوقت الحالي، تُستخدم عادةً وسادات الأيروجل بسمك 2.5 ملم في الصناعة لعزل الانفجار الحراري (مع ضرورة الحفاظ على درجة حرارة الخلايا المجاورة ضمن حدود 200℃). أما استخدام حاوية VIP المعدنية فيمكنه تقليل سمك طبقة الأيروجل بشكل فعال، مما يوفّر مساحة ووزنًا إضافيين لمنظومة البطارية. ويقارن الجدول الثاني ويحسب المعايير الرئيسية لطريقتين للعزل، هما حشوة الأيروجل وحاوية VIP المعدنية، بالنسبة لحزم بطاريات بأبعاد محددة. وباستثناء زيادة الوزن الإجمالي، فإن مقاومة الحرارة لدى حاوية VIP المعدنية تبلغ خمسة أضعاف تلك الخاصة بحشوة الأيروجل، بينما ينخفض سمكها بشكل ملحوظ، مما يثبت نسبة عالية من العائد مقابل التكلفة.

الشكل 7: منحنيات الاستجابة لدرجة الحرارة للجانب البارد لحاوية VIP المعدنية وحشوة الأيروجل

الشكل 8. منحنيات استجابة درجة الحرارة للجانبين البارد والساخن لحاوية VIP المعدنية وحشوة الأيروجل

الجدول 2.  الجدوى الاقتصادية لطريقتين للعزل بالنسبة لبطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات

TLB	الحجم（مم）	السمك（مم）	الكمية （عدد القطع）	السعر （يوان صيني/م)2）	الوزن الإجمالي. （كغ/م)2）	معامل المقاومة الحرارية（م²·ك/و)2.（ك/و)
لباد الأيروجيل	205*98	2.5	216.0	169	1.7	0.1
معدن VIP	205*98	1.5	216.0	160	1.4	0.5

 

 2.3 VIP فائق الرقة لعزل حزم البطاريات

أثبتت العديد من التجارب أن درجة حرارة تشغيل حزم البطاريات ترتبط ارتباطًا كبيرًا بمعدل بقاء سعة التفريغ. كما هو موضح في الشكل (9)، يبيّن الرسم البياني اتجاه معدل بقاء سعة التفريغ مع تغير درجة الحرارة لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم السائدة في السوق. فمع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض سعة التفريغ؛ وتحت درجة حرارة -5℃، تهبط سعة التفريغ بشكل حاد، وفي درجة حرارة -20℃، تقل بنسبة تقارب 25%. وهذا أيضًا أحد الأسباب الرئيسية التي تؤدي إلى انخفاض مدى السيارات العاملة بالطاقة الجديدة بشكل ملحوظ في ظروف الشتاء ذات درجات الحرارة المنخفضة. وفي الوقت نفسه، يحل هذا الأمر مشكلة شكوى المستخدمين في المناطق الشمالية من طول وقت الشحن السريع خلال فصل الشتاء. لذلك، فإن العزل الكلي لحزمة البطارية يعد أمرًا بالغ الأهمية لتمديد عمر البطارية وتحسين كفاءة الشحن وتجربة المستخدم.

الشكل 9. العلاقة بين معدل بقاء سعة تفريغ حزمة البطارية ودرجة الحرارة

عزل فراغي فائق النحافة VIP، بسماكة تتراوح بين 1-5 ملم فقط. يتمتع المنتج بوظائف عزل حراري وامتصاص اهتزازات ممتازة، وقد اجتاز سلسلة من الاختبارات والفحوصات المطلوبة في صناعة الطاقة الجديدة. وعلى وجه الخصوص، أُجري اختبار “Double 85” للوثوقية البيئية وفقًا للمعيار GB/T 2423.50. وتحت ظروف درجة حرارة محيطة تبلغ 85±2℃ ورطوبة 85±5%RH، خضع المنتج لاختبار الشيخوخة لمدة 1000 ساعة، وظل معامل توصيله الحراري أقل من 8 mw/ (m·k)، مما يدل على قدرته طويلة الأمد على مقاومة تسرب الرطوبة واستقرار أدائه الحراري. وتظهر المؤشرات الرئيسية للأداء في الجدول 3. وقد تم تطبيق المنتجات الدفعية في مجالات مثل العزل الحراري وحماية حزم بطاريات الليثيوم الكهربائية.

الجدول 3.     المؤشرات الرئيسية للأداء لعزل VIP فائق النحافة
التوصيل الحراري الأولي	3.5 مللي واط/（م·ك）
اختبار الوثوقية “Double 85” – معامل التوصيل الحراري بعد 1000 ساعة	≤ 8 مللي واط/（م·ك）
رذاذ ملح حمض الخليك النحاسي التغير في التوصيل الحراري بعد 240 ساعة	＜ 2 مللي واط/（م·ك）
تحمل الجهد	3800 فولت مستمر، تسرب أقل من 1 ملي أمبير
Iالعزل	5000 ميغا أوم، 1000 فولت مستمر

تستخدم حزمة بطارية من علامة تجارية معينة نفس سمك العزل الحراري البالغ 3 ملم، لكنها تعتمد في العزل على كلٍ من رغوة العزل الحراري وعزل VIP فائق النحافة (Yinlin ultrathin™) على التوالي. عند درجة حرارة أولية تبلغ 25℃، ووضع الحزمة في بيئة منخفضة الحرارة تبلغ -20℃، ينخفض حرارة حزمة البطارية المصنوعة من الرغوة إلى 0℃ خلال نحو 3.5 ساعات فقط، وذلك تحت تأثير الحمل الحراري الطبيعي. أما حزمة البطارية التي تعتمد على عزل Yinlin ultrathin™-VIP، فقد استغرقت نحو 10 ساعات حتى يصل حرارتها إلى 0℃. ويُظهر الشكل 10 منحنى التبريد، حيث تختلف مدة الاحتفاظ بالحرارة بأكثر من ثلاثة أضعاف، ما يعزز بشكل كبير قدرة حزمة البطارية على التكيف مع البيئات منخفضة الحرارة ويطيل عمرها الافتراضي.

الشكل 10: منحنى تبريد حزمة البطارية

3. 3.فيما يتعلق بمعامل التوصيل الحراري والانتشار الحراري للمواد

تتضمن عزل حزم البطاريات والإدارة الحرارية بين الخلايا في بطاريات الطاقة الجديدة عمليتين مختلفتين تمامًا لانتقال الحرارة: حالة الثبات وحالة عدم الثبات. لذلك، تختلف المعلمات الفيزيائية ذات الصلة بشكل كبير. وكما ذكر سابقًا، تتعلق الأولى بحفظ الطاقة، بينما تتعلق الثانية بالسلامة. بالنسبة للتحكم بدرجة حرارة حزم البطاريات، فإن مادة العزل وحزمة البطارية يخضعان غالبًا لعملية انتقال حرارة في حالة ثبات أو شبه ثبات. ويُوصف عملية انتقال الحرارة عادةً بواسطة معادلة فورييه، ويُشار إلى المعلمة المميزة بها بقيمة الموصلية الحرارية k (Thermal Conductivity)، أي قدرة المادة على نقل الحرارة ضمن توزيع محدد لدرجات الحرارة. أما التحكم بدرجة حرارة خلايا بطاريات الطاقة الجديدة، وخاصة أثناء عملية الانفلات الحراري، فينتمي إلى انتقال الحرارة في حالة عدم الثبات، حيث يركز على التغيرات الديناميكية في درجات الحرارة. وعادةً ما يُرمز إلى ذلك بقيمة الانتشار الحراري a أو معامل الموصلية الحرارية. ويشير المعنى الفيزيائي لهذه القيم إلى قدرة كل جزء من الجسم على الاقتراب من درجة حرارة موحدة خلال عمليات التسخين أو التبريد السريعة. وتظهر هذه الخاصية بـ«القصور الحراري» للجسم؛ فكلما صغر معامل الانتشار الحراري، زاد القصور الحراري، وبطء وصول الجسم إلى حالة التوازن الحراري. وعلى وجه التحديد، يعكس الانتشار الحراري (a = k/ρ×Cp) العلاقة الشاملة بين قدرة المادة على توصيل الحرارة (k) أثناء عملية التوصيل، وقدرة المواد على تخزين الحرارة (ρ×Cp) على طول المسار. وتختلف قيم الانتشار الحراري بشكل كبير بين المواد المختلفة؛ فعلى سبيل المثال، يبلغ انتشار الحرارة في الخشب 1.5×10⁻⁷ م²/ثانية، بينما يبلغ في الألمنيوم 9.5×10⁻⁵ م²/ثانية. وبوجه عام، كلما كانت الموصلية الحرارية أصغر، وكلما زادت الكثافة، انخفض معامل الانتشار الحراري وزاد القصور الحراري للمادة. الجدول 4 يوضح نطاق قيم الانتشار الحراري لمختلف المواد. ومن الواضح أن مادة VIP المعدنية تتمتع بقصور حراري كبير، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لأنظمة الإدارة الحرارية بين خلايا البطاريات.

الجدول 4: الموصلية الحرارية والانتشار الحراري لمختلف المواد عند درجة حرارة الغرفة
مادة	معامل التوصيل الحراري معامل التوصيل الحراري （واط/م·ك）	الانتشار الحراري  (10-6 m2ثانية）
معدن	4-420	3-165
غاز	0.01-0.20	15-165
غير معدني (مع بعض الاستثناءات)	0.17-70	0.1-1.6
سائل (غير معدني))	0.05-0.68	0.08-0.16
مادة عازلة للحرارة الشائعة	0.04-0.12	0.16-1.6
Aأيروجيل لباد	0.016-0.025	0.05-0.08
معدن كبار الشخصيات	0.003-0.010	＜0.01

بالإضافة إلى ذلك، لا تزال اختبارات الأداء الحراري لمواد VIP فائقة النحافة المستخدمة في إدارة حرارة البطاريات تركز أساسًا على قياس قيمة الموصلية الحرارية المركزية k. ومعظم أجهزة القياس تعتمد على معايير وطنية مثل GB/T 10295، GB/T 10294، وGB/T 39704، أو على معايير دولية مثل ISO 8301 أو ASTM C518. وبذلك، فإن حساب قيمة k عبر معادلة فورييه الخاصة بانتقال الحرارة في حالة الثبات يُعد أيضًا الطريقة المعيارية الموصى بها للتحكيم. غير أن معظم هذه الأجهزة مناسبة لقياس المنتجات التي يزيد سمكها عن 10 ملم، ولا تنطبق على قياس الأداء الحراري لمواد العزل الرقيقة جدًا التي يقل سمكها عن 5 ملم. علاوة على ذلك، عادةً ما يبلغ سمك مادة VIP فائقة النحافة 1–3 ملم فقط. وحتى تحت نفس ضغط التحميل المسبق، يكون الخطأ النسبي في قياس السمك أكبر بكثير من 10%. كما أن فرق درجة الحرارة بين الجانبين صغير نسبيًا، لكن خطأ قياس درجة الحرارة كبير جدًا، مما يؤدي إلى انحرافات كبيرة في بيانات القياس بين الأجهزة المختلفة، إذ قد تتجاوز بعضها 100%، مما يجعل المقارنة بينها مستحيلة. ولذلك، ولتقييم أداء العزل لدى هياكل مادة VIP فائقة النحافة، من الأصح والأكثر علمية استخدام منحنى الاستجابة لدرجة الحرارة في الجانب الساخن، أو قياس ارتفاع درجة الحرارة في الجانبين الساخن والبارد، وذلك ضمن ظروف كثافة تدفق حراري محددة وفترات زمنية محددة.

4.الآفاق المستقبلية

لقد شاع استخدام تقنيات ومنتجات العزل الفراغي على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية وغيرها من المجالات، وأصبحت المادة الأساسية الوحيدة لتوفير الطاقة وتقليل الاستهلاك وتحقيق أقصى استفادة من المساحة في أجهزة التبريد مثل الثلاجات والمجمدات. أما العزل الفراغي المخصص لإدارة الحرارة في البطاريات فلا يزال في مراحله الأولى، ويحتاج إلى عمليات تحقق متعمقة للمنتج وتصميم قابل للتكيف يعتمد على خصائص أنظمة إدارة حرارة البطاريات. ومع ذلك، فإن إمكانية تصميم أشكال وأحجام خاصة لألواح العزل الفراغي (VIP) أو هياكل العزل الفراغي (VIS)، وخصائص الجمع المرن بين المواد الغشائية والمواد الأساسية وطرق الإغلاق الفراغي، فضلاً عن أداء العزل الفريد الذي لا يضاهى، تجعل من الممكن دمج تصميم أنظمة تبديد الحرارة والعزل ومنع انتشار الحريق أو تقسيمات الحماية من الحريق ضمن أنظمة البطاريات. وتتمتع منتجات ألواح العزل الفراغي الجديدة بإمكانات تطبيق كبيرة في إدارة الحرارة لبطاريات السيارات وأنظمة تخزين الطاقة.

5.Rالمراجع

[1] تشانغ لييو وآخرون. دراسة تجريبية أساسية حول العلاقة بين أداء بطاريات الليثيوم ودرجة الحرارة [مجلة جامعة شيان للتكنولوجيا، 2018، المجلد 52، العدد 5: ص 133-141].

[2] ساتو ن. تحليل السلوك الحراري لبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في المركبات الكهربائية والهجينة [مجلة مصادر الطاقة، 2001، المجلد 99، الأعداد 1-2: ص 70-77].

[3] ويلكه س، شفايتزر ب، خطيّب س، وآخرون. منع انتشار الانفلات الحراري في حزم بطاريات الليثيوم أيون باستخدام مادة مركبة ذات تغير طوري: دراسة تجريبية [مجلة مصادر الطاقة، 2017، المجلد 340: ص 51-59].

[4] بيسران أ أ. نماذج حرارية للبطاريات لمحاكاة المركبات الهجينة [مجلة مصادر الطاقة، 2002، المجلد 110، العدد 2: ص 377-382].

[5] روي شينيو وآخرون. مراجعة لمشكلة انتشار الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم أيون [مجلة صناعة البطاريات، 2020، المجلد 24، العدد 3: ص 193-205].

[6]  Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.

[7]  ‌“المتطلبات الأمنية لبطاريات الجر في المركبات الكهربائية GB 38031-2020”.

[8] “المتطلبات الأمنية للمركبات الكهربائية GB18384-2020”.

[9] “المتطلبات الأمنية للحافلات الكهربائية GB38032-2020”.