ماذا يحدث عند شحن بطاريات الليثيوم في درجات حرارة عالية

يؤدي شحن بطاريات الليثيوم بدرجات حرارة عالية إلى تفاعلات كيميائية سريعة تُهدد السلامة والأداء. كما أنك تُواجه مخاطر متزايدة للتورم أو التهوية أو حتى الحريق، كما هو موضح أدناه.

يُعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا أساسيًا لجميع بطاريات أيونات الليثيوم. تساعدك أنظمة Cadex المتطورة على إدارة شحن بطاريات الليثيوم عند درجات حرارة عالية، مما يُقلل من معدلات الحوادث. في الشركات البريطانية، يُسبب ارتفاع درجة الحرارة 36% من حوادث بطاريات أيونات الليثيوم.

الوجبات السريعة الرئيسية

• يؤدي شحن بطاريات الليثيوم في درجات حرارة عالية إلى تسريع التفاعلات الكيميائية الضارة التي يمكن أن تسبب التورم وتراكم الغاز وحتى الحرائق، لذا حافظ دائمًا على درجات حرارة الشحن ضمن الحدود الآمنة.

• يؤدي الشحن بدرجة حرارة عالية إلى تقصير عمر البطارية عن طريق إتلاف الأجزاء الداخلية وزيادة فقدان السعة، مما يجعل التحكم المناسب في درجة الحرارة ضروريًا لإطالة صحة البطارية.

• استخدم أنظمة إدارة البطارية واتبع نطاقات درجات الحرارة الموصى بها (10 درجات مئوية إلى 30 درجة مئوية) لضمان الشحن الآمن وتحسين الأداء ومنع الأعطال الخطيرة.

الجزء 1: مخاطر درجات الحرارة العالية لشحن بطاريات الليثيوم أيون

1.1 القضايا الكيميائية والسلامة

يُنشئ شحن بطاريات الليثيوم عند درجات حرارة عالية بيئة خطرة داخل علبة البطارية. عند شحن بطارية ليثيوم أيون فوق الحدود الموصى بها، تتسارع التفاعلات الكيميائية. يؤدي هذا التسارع إلى توليد سريع للغاز، وانتفاخ، وزيادة خطر التهوية أو حتى ارتفاع درجة الحرارة. قد تلاحظ ارتفاع درجة حرارة غلاف البطارية أو انتفاخه، مما يُشير إلى ضغط داخلي ناتج عن تراكم الغاز. في الحالات الشديدة، ينفجر صمام الأمان لإخراج هذه الغازات، مما يؤدي أحيانًا إلى نشوب حريق أو انفجار.

ملحوظة: تظهر الدراسات المعملية باستخدام قياس السعرات التفاضلية بالمسح (DSC) وقياس السعرات الحرارية بمعدل التسارع (ARC) أن الهروب الحراري في خلايا بطارية أيون الليثيوم يمكن أن يبدأ عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 131–132 درجة مئويةبالنسبة لمجموعات البطاريات الكبيرة، يمكن أن تنخفض درجة الحرارة المحيطة الحرجة للاشتعال الذاتي إلى 45 درجة مئوية فقط، وخاصة في حالة الشحن العالية (SOC).

وتؤكد الأبحاث التجريبية هذه المخاطر:

• تكشف المحاكاة العددية أن الإجهاد الحراري يسبب فشلاً هيكلياً في مكونات حزمة البطارية أثناء الانفلات الحراري.

• أظهرت الاختبارات التجريبية التي أجريت على 21700 بطارية ليثيوم أيون أنه عند 100% من حالة الشحن، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة بمقدار أكثر من 20 درجة مئوية في الثانية، وتصل إلى 182 درجة مئوية.

• يؤدي الشحن الزائد عند درجة حرارة عالية إلى خفض بداية الانفلات الحراري من 140 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية، مما يجعل الحوادث أكثر احتمالا.

• يحدد تحليل الغاز عند 90 درجة مئوية CO وCO₂ وCH₄ وC₂H₄ كمنتجات ثانوية رئيسية، مما يربط التورم والتهوية بتحلل الإلكتروليت وانهيار طبقة SEI.

يجب عليك إدارة هذه المخاطر، وخاصة في صناعي, طبيو تطبيقات الروبوتاتحيث تُعدّ سلامة البطارية أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لأنظمة إدارة البطاريات (BMS) المتطورة، المزودة بصمامات تخفيف الضغط التي يتم التحكم بها كهربائيًا وتصميمات تهوية مُحسّنة، أن تُفعّل في غضون 50 مللي ثانية، مما يُحسّن منع الانفجار ويحمي الوحدات المجاورة. تُساعدك خوارزميات استشعار درجة الحرارة والحماية من Cadex على تجنب الشحن في درجات حرارة غير آمنة، مما يُقلل من خطر الأعطال الكارثية.

1.2 تأثير عمر البطارية

شحن بطاريات الليثيوم بدرجات حرارة عالية لا يهدد سلامتها فحسب، بل يُقصّر عمرها أيضًا. فعند تعريض بطارية أيون الليثيوم لدرجات حرارة مرتفعة أثناء الشحن، يُسرّع ذلك التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها. تُثخّن هذه التفاعلات طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) وتُسبب فقدان الليثيوم، مما يؤدي إلى تلاشي دائم في السعة وزيادة في المقاومة الداخلية.

تسلط بيانات المختبر الضوء على التأثير:

وتعزز دراسات الحالة الواقعية هذه النتائج:

• فقدت بطارية Tesla Powerwall 2 (إصدار LFP) 18% من سعتها على مدار خمس سنوات بسبب ارتفاع درجة الحرارة وظروف الشحن. وقد أدى تحسين أساليب التبريد والشحن إلى إبطاء المزيد من التدهور.

• شهدت أساطيل حافلات BYD الكهربائية فقدانًا في مدى القيادة بنسبة 25% خلال ثلاث سنوات نتيجةً للشحن السريع المتكرر في درجات حرارة عالية. وقد أدى التحول إلى الشحن البطيء وتحسين إدارة الحرارة إلى خفض التدهور السنوي من 8% إلى 3%.

تجدر الإشارة إلى أن التدهور الدائم الناتج عن الشحن بدرجة حرارة عالية لا يمكن عكسه تمامًا. تتدهور حالة البطارية (SOH) بشكل أسرع، وتصبح البطاريات القديمة أكثر عرضة للتلف الحراري. بالنسبة لمجموعات البطاريات الصناعية، يعني هذا ارتفاع تكاليف الصيانة وتقصير دورات الاستبدال.

تلميح: تساعدك خوارزميات استشعار الحرارة المتطورة والشحن التكيفي من Cadex على الحفاظ على ظروف شحن آمنة. بدمج هذه الحلول، يمكنك إطالة عمر البطارية وتقليل خطر الأعطال المفاجئة في البيئات الصعبة.

إذا كنت تريد استكشف حلول البطاريات المخصصة لتطبيقك، اتصل بنا للحصول على استشارة.

الجزء الثاني: مشاكل الشحن في درجات الحرارة القصوى وأفضل الممارسات

2.1 نطاقات درجة الحرارة الآمنة

يجب الانتباه جيدًا لدرجة الحرارة عند شحن بطارية ليثيوم أيون. توصي التقارير الفنية من شركة EpecTec بنطاق شحن آمن بين 0 درجة مئوية و45 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت إلى 113 درجة فهرنهايت). قد يؤدي الشحن تحت درجة التجمد إلى تكسّر طلاء الليثيوم، مما يؤدي إلى تلف دائم. الشحن السريع آمن فقط عند درجة حرارة تزيد عن 5 درجات مئوية (41 درجة فهرنهايت)، ويجب تجنب الشحن تحت هذه الدرجة إلا إذا كان نظامك معتمدًا لمثل هذه الظروف. تؤكد الأبحاث أن النطاق الأمثل للشحن يقع بين 10 درجة مئوية و30 درجة مئويةخلال هذه الفترة، يمكنك تحقيق أفضل توازن بين الأداء والسلامة وعمر البطارية. الشحن خارج هذه الحدود يزيد من خطر الانتفاخ وتوليد الغازات وفقدان السعة.

• يؤدي الشحن عند درجة حرارة أقل من 5 درجات مئوية إلى إبطاء العملية وزيادة المقاومة الداخلية.

• قد يؤدي الشحن فوق 45 درجة مئوية إلى التورم أو حتى الانفجار.

• أفضل النتائج تأتي من الحفاظ على درجة الحرارة بين 10 درجة مئوية و 30 درجة مئوية.

2.2 حلول الإدارة الحرارية

تلعب أنظمة إدارة البطاريات (BMS) دورًا حيويًا في منع مشاكل الشحن في درجات الحرارة العالية. تستخدم هذه الأنظمة مستشعرات درجة حرارة وخوارزميات تعويض لضبط الجهد والتيار، مما يحافظ على بطاريات الليثيوم أيون ضمن الحدود الآمنة. يوضح الجدول أدناه كيفية تغير حدود الجهد مع درجة الحرارة:

تقدم كادكس حلول شحن تكيفية تستجيب لتغيرات درجة الحرارة في الوقت الفعلي. يمكنك تعزيز السلامة بشكل أكبر باستخدام أنظمة إدارة حرارية متقدمة، مثل تعديل سائل التبريد أو المفاتيح الحرارية النشطةتساعد هذه الطرق في الحفاظ على ظروف شحن مثالية، حتى أثناء الشحن السريع أو في البيئات القاسية. بالنسبة لبطاريات الاستخدامات الصناعية أو الطبية أو الروبوتية، يُنصح دائمًا بتطبيق بروتوكولات شحن صارمة واستشارة الخبراء للحصول على حلول مخصصة. اتصل بنا للإستشارة لتحقيق أقصى قدر من السلامة والأداء.

شحن بطاريات الليثيوم أيون في درجات الحرارة المرتفعة، تزيد مخاطر السلامة وتُسرّع فقدان السعة. يمكنك زيادة عمر البطارية باتباع أفضل الممارسات التالية:

الأسئلة الشائعة

1. ما هو نطاق درجة الحرارة الأكثر أمانًا لشحن مجموعات بطاريات الليثيوم في التطبيقات الصناعية؟

يجب شحن بطاريات الليثيوم بدرجة حرارة تتراوح بين ١٠ و٣٠ درجة مئوية. يضمن هذا النطاق أداءً مثاليًا وأمانًا وموثوقية طويلة الأمد. صناعي أنظمة البطارية.

2. كيف يؤثر الشحن بدرجة حرارة عالية على التركيب الكيميائي لبطاريات الليثيوم المختلفة؟

تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع التحلل في جميع المواد الكيميائية، مما يقلل من عمر الدورة ويزيد من المخاطر المتعلقة بالسلامة.

3. لماذا يجب عليك استخدام نظام إدارة البطارية (BMS) لمجموعات بطاريات الليثيوم؟

يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) درجة الحرارة والجهد والتيار. يمنع الشحن غير الآمن ويطيل عمر البطارية.