تواجه خطرًا جسيمًا عند حدوث تسارع حراري في بطاريات الليثيوم. تعني هذه الظاهرة أن البطاريات تدخل في تفاعل ذاتي التسارع، مما يتسبب في درجات حرارة عالية جدًا وتهوية عنيفة للخلايا. قد تتعرض بطاريات أيون الليثيوم لشحن زائد أو عطل، مما يؤدي إلى عواقب وخيمة. تُظهر البيانات الحديثة تسارعًا حراريًا في البطاريات. يعطل الرحلات الجوية كل أسبوعمما يثبت أن الخطر لا يزال يشكل خطرا كبيرا.
الوجبات السريعة الرئيسية
يحدث الانفلات الحراري عندما ترتفع درجة حرارة بطاريات الليثيوم مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل يسبب حرائق أو انفجارات.
يمكن أن يؤدي الكشف المبكر باستخدام أجهزة استشعار متقدمة وأنظمة إدارة البطاريات القوية إلى منع الأعطال الخطيرة والحفاظ على سلامة البطاريات.
يؤدي استخدام مواد أكثر أمانًا، والتبريد الجيد، والتصميم الذكي إلى تقليل المخاطر، ويساعد في منع انتشار الحرارة الزائدة في مجموعات البطاريات.
الجزء الأول: الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم
1.1 المحفزات والأسباب
يجب عليك فهم المحفزات الرئيسية التي تبدأ الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم، وخاصة عند إدارة مجموعات البطاريات لتطبيقات B2B الهامة مثل طبي, الروبوتات, أمن, بنية التحتية, الالكترونيات الاستهلاكيةو صناعي القطاعات. تنقسم المحفزات إلى فئتين عريضتين: خارجية وداخلية.
غالبًا ما تواجه محفزات خارجية، مثل التلف الحراري (التعرض لدرجات حرارة عالية)، والتلف الميكانيكي (السحق، الثقب)، والتلف الكهربائي (الشحن الزائد أو التفريغ الزائد). قد تؤدي هذه الأحداث إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية بسرعة، أو إتلاف بنيتها الداخلية، أو إجبارها على العمل خارج حدود الجهد الآمن. تشمل المحفزات الداخلية عيوب التصنيع، مثل الملوثات المعدنية أو عيوب الفواصل، ونمو شجيرات الليثيوم أثناء الشحن الزائد أو الشحن/التفريغ عالي السرعة. يمكن أن تسبب هذه المشاكل قصرًا كهربائيًا داخليًا، وهو سبب رئيسي للاندفاع الحراري في البطاريات.
تلميح: الشحن الزائد والشحن/التفريغ بمعدلات عالية يُسرّع طلاء الليثيوم وتحلل SEI، مما يزيد من خطر حدوث قصر داخلي وتوليد حرارة سريعة. كما أن تقادم البطارية وسوء تجميعها يزيدان من احتمالية تعطلها.
1.2 عملية التفاعل المتسلسل
بمجرد أن يُطلق مُحفِّزٌ هروبًا حراريًا في بطاريات الليثيوم، ستواجه تفاعلًا متسلسلًا سريعًا ذاتي التسارع. تتوالى هذه العملية على عدة مراحل مُختلفة:
التسخين الأولي: ترتفع درجة حرارة البطارية بسرعة، لتصل غالبًا إلى ما بين 150 و180 درجة مئوية. يُحفّز هذا تفاعلات طاردة للحرارة في مواد الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية.
تفاصيل SEI: يتحلل الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) على الأنود بين 80 درجة مئوية و120 درجة مئوية، مما يعرض الأنود للإلكتروليت ويطلق الحرارة والغازات.
ذوبان الفاصل: عند حوالي ١٣٠ درجة مئوية، يذوب الفاصل، مما يُسبب تلامسًا مباشرًا بين الأقطاب الكهربائية. يؤدي هذا إلى حدوث قصر كهربائي داخلي واسع النطاق وتسخين جول شديد.
تفاعلات الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية: تولد التفاعلات بين الأقطاب الكهربائية المكشوفة والإلكتروليت المزيد من الحرارة والغازات القابلة للاشتعال، مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون والميثان.
تراكم الضغط والتنفيس: الغازات المنبعثة أثناء الانفلات الحراري تزيد الضغط الداخلي. قد يخرج دخان أو غاز من غلاف البطارية كتحذير.
تمزق الغلاف وقذفه: إذا استمر الضغط في الارتفاع، يتمزق الغلاف، مما يؤدي إلى خروج الغازات الساخنة، واللهب، وفي بعض الأحيان المعدن المنصهر.
الاشتعال والانتشار: يمكن للغازات القابلة للاشتعال المنبعثة أثناء الانفلات الحراري أن تشتعل، مسببةً حريقًا أو انفجارًا. ويمكن للحرارة الشديدة أن تنتشر إلى الخلايا المجاورة، وخاصةً في وحدات البطاريات المزدحمة.
إطلاق الأكسجين: يوفر تحلل الكاثود الأكسجين داخليًا، مما يحافظ على الاحتراق حتى بدون وجود هواء خارجي.
انبعاث الغازات السامة: يتم انبعاث الغازات السامة والتآكلية، مثل فلوريد الهيدروجين، مما يشكل مخاطر على الصحة.
تأثير تتالي: يمكن أن يؤدي التفاعل المتسلسل إلى إتلاف مجموعات البطاريات بأكملها، مما يؤدي إلى حرائق وانفجارات واسعة النطاق يصعب إخمادها.
ملحوظة: إن الغازات المنبعثة أثناء الانفلات الحراري لا تؤدي إلى زيادة خطر الحرائق فحسب، بل إنها تؤدي أيضًا إلى خلق بيئات سامة ومسببة للتآكل، مما يعقد الاستجابة للطوارئ.
1.3 عوامل الخطر الرئيسية
يجب عليك التعرف على عوامل الخطر الرئيسية التي تزيد من احتمالية حدوث الانفلات الحراري في البطاريات، وخاصة في مجموعات بطاريات الليثيوم كبيرة الحجم:
الدوائر القصيرة الداخلية: غالبًا ما يكون سبب ذلك عيوب التصنيع أو التلف الميكانيكي أو نمو شجيرات الليثيوم.
ارتفاع درجات الحرارة: تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع تحلل SEI وتحلل الإلكتروليت، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة والغازات.
الشحن الزائد: يؤدي تجاوز حدود الجهد الآمنة إلى تحفيز انهيار SEI والإلكتروليت، مما يزيد من خطر الانفلات الحراري في البطاريات.
سوء الإدارة الحرارية: يؤدي عدم تبديد الحرارة بشكل كافٍ إلى تراكم الحرارة وانتشارها بين الخلايا.
التفاعلات الطاردة للحرارة: تولد التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا الحرارة والغازات القابلة للاشتعال أثناء الهروب الحراري.
التعبئة الخلوية الكثيفة: تسهل الخلايا المكدسة بشكل وثيق انتقال الحرارة والفشل المتتالي.
ضرر ميكانيكي: يمكن أن تؤدي الصدمات المادية إلى حدوث ماس كهربائي داخلي.
الشيخوخة والتدهور: يؤدي تقدم عمر البطارية إلى تقليل السعة وزيادة قابلية حدوث قصر كهربائي داخلي.
يصعب للغاية إيقاف الانفلات الحراري في بطاريات الليثيوم بمجرد بدء تشغيلها. تُولّد التفاعلات الطاردة للحرارة الداخلية حرارةً وغازاتٍ زائدة، مما يُسبب ارتفاعًا سريعًا في درجة الحرارة والضغط يصعب تبديده. غالبًا ما تكتشف المستشعرات الخارجية علامات التحذير - مثل انبعاث الغاز، أو انخفاض الجهد، أو ارتفاع درجة حرارة السطح - فقط بعد حدوث تلف لا رجعة فيه. تتضمن فترة الحضانة فقدانًا للكتلة الداخلية وتغيرات في الضغط لا تستطيع المراقبة التقليدية رصدها في الوقت المناسب.
تنبيه: الكشف المبكر أمر بالغ الأهمية. بمجرد بدء الانفلات الحراري، تتسارع الحرارة الداخلية والغازات المنبعثة أثناء الانفلات الحراري بشكل لا يمكن السيطرة عليه، مما يؤدي إلى نشوب حريق وانفجار. متقدم أنظمة إدارة البطارية (BMS) مع أجهزة استشعار درجة الحرارة والضغط الداخلية توفر أفضل فرصة للتدخل في الوقت المناسب.
يمكن أن تساعد ميزات التصميم على مستوى النظام في تقليل خطر الانتشار. يمكنك استخدام المواد المركبة متغيرة الطور، وزيادة المسافة بين الخلايا، ودمج الحواجز الحرارية لامتصاص الحرارة ومنع انتشار الحرارة الزائدة في البطاريات. قوية أنظمة الإدارة الحراريةوتعمل التقنيات الحديثة مثل التبريد السائل أو الأنظمة الهجينة على تعزيز السلامة في مجموعات بطاريات الليثيوم.
الجزء الثاني: العواقب والوقاية في بطاريات الليثيوم أيون
2.1 مخاطر الانفلات الحراري
يجب أن تدرك العواقب الوخيمة لحرائق البطاريات الناتجة عن الانفلات الحراري. عند تعطل خلية أيونات الليثيوم، قد تصل درجات حرارتها إلى أكثر من 1000 درجة مئوية. تنتشر هذه الحرارة الشديدة بسرعة، مما يؤدي إلى اشتعال الخلايا المجاورة وتفاعل متسلسل. غالبًا ما تحدث المخاطر التالية:
حرائق البطاريات وانفجاراتها، والتي يصعب إخمادها ويمكن أن تستمر في الاحتراق لفترات طويلة.
إطلاق المواد القابلة للاشتعال و الغازات السامة، بما في ذلك فلوريد الهيدروجين وأول أكسيد الكربونوالمركبات العضوية المتطايرة. قد تتجاوز هذه الغازات حدود التعرض الآمن وتشكل مخاطر صحية جسيمة.
ارتفاع سريع في درجة الحرارة وتراكم الضغط، مما يؤدي إلى تنفيس عنيف أو طرد الغازات الساخنة والمواد المنصهرة.
انتشار الفشل في جميع أنحاء مجموعات البطاريات الكبيرة، وخاصة في حرائق المركبات الكهربائية أو أنظمة تخزين الطاقة.
الضرر البنيوي الذي يلحق بحاويات البطاريات، والذي قد يؤدي إلى تعريض المزيد من الخلايا للأكسجين والحرارة الخارجية.
تنبيه: يمكن أن تنتشر الغازات السامة الناتجة عن حرائق البطاريات إلى ما هو أبعد من المنطقة المجاورة مباشرة، مما يجعل جودة الهواء خطرة على المستجيبين الأوائل وموظفي المنشأة.
2.2 استراتيجية للوقاية
يمكنك تحسين سلامة البطاريات من خلال اتباع استراتيجيات وقائية متعددة. وتُعدّ تحسينات المواد عاملاً أساسياً. استخدم مواد تغيير الطور، والطلاءات الخزفية، ومواد كيميائية أكثر أماناً مثل فوسفات حديد الليثيوم (LFP) لتعزيز الاستقرار الحراري. تساعد الحواجز الحرارية وأنظمة التبريد المتطورة، مثل التبريد بالسوائل أو التبريد بمساعدة المراوح، على التحكم في الحرارة ومنع انتشار الأعطال. ادمج مواد ذات معامل حراري موجب (PTC) وبوليمرات حساسة للحرارة في الفواصل والإلكتروليتات لقطع التوصيل الكهربائي أثناء ارتفاع درجة الحرارة.
أنظمة الإنذار المبكر ضرورية لمنع تسرب الحرارة. تستطيع أجهزة استشعار الغازات المنبعثة، والتصوير الحراري، والمراقبة الكهربائية اكتشاف أي ظروف غير طبيعية قبل دقائق من اندلاع الحريق. تُمكّنك هذه التقنيات من اتخاذ الإجراءات اللازمة قبل تفاقم الأضرار. لمزيد من المعلومات حول التوريد المسؤول والاستدامة، يُرجى الاطلاع على موقعنا. بيان الاستدامة و بيان معادن الصراع.
2.3 إدارة البطارية وسلامة النظام
يجب عليك تطبيق أنظمة إدارة بطاريات (BMS) فعّالة لمراقبة الجهد والتيار ودرجة الحرارة آنيًا. يمكن لنظام إدارة بطاريات (BMS) مُصمّم جيدًا إيقاف الشحن، وفصل الخلايا المعطوبة، وموازنة الجهد الكهربائي لتقليل الضغط على البطاريات. كما توفر حلول أنظمة إدارة البطاريات المتقدمة مراقبة لاسلكية، واكتشافًا مبكرًا للأعطال، وتكاملًا مع أنظمة إخماد الحرائق. تُعد هذه الميزات بالغة الأهمية في تطبيقات سلامة البطاريات في قطاعات مثل الطب، والروبوتات، وأنظمة الأمن، والبنية التحتية.
تتضمن أفضل الممارسات المتعلقة بسلامة البطارية ما يلي:
الحفاظ على التحكم في درجة الحرارة ضمن النطاقات الموصى بها.
استخدام أنظمة كشف الحرائق وإخمادها المصممة خصيصًا لنوع البطارية الخاصة بك.
التفتيش والصيانة الدورية لمجموعات البطاريات.
مشاركة بيانات السلامة مع السلطات ومقدمي التأمين.
الاستعانة بمصادر خارجية لتخزين المواد في مرافق ذات بروتوكولات أمان راسخة.
تلميح: يمكن لأنظمة المراقبة المتقدمة المزودة بأجهزة استشعار متعددة الأبعاد أن توفر تحذيرات مبكرة تصل إلى عدة ساعات قبل الانفلات الحراري، مما يسمح لك بالتدخل ومنع حرائق البطاريات الكارثية.
تلعب دورًا حيويًا في منع الأعطال الكارثية في بطاريات الليثيوم أيون.
فهم الهروب الحراري يساعدك على تصميم أنظمة أكثر أمانًا والامتثال للأنظمة.
الكشف المبكر وأنظمة الإدارة القوية تقليل المخاطر وتحسين الموثوقية.
كن مطلعًا على أحدث تقنيات السلامة لحماية عملياتك وموظفيك.
الأسئلة الشائعة
1. ما هي أسرع طريقة للكشف عن الهروب الحراري في مجموعات بطاريات الليثيوم؟
يمكنك استخدام أجهزة استشعار متطورة في نظام إدارة البطارية. يوفر كشف الغازات المنبعثة ومراقبة درجة الحرارة في الوقت الفعلي إنذارات مبكرة لحالات ارتفاع الحرارة.
2. كيف Large Power تخصيص حلول بطارية الليثيوم للتطبيقات الصناعية؟
Large Power نصمم مجموعات بطاريات مخصصة لتلبية احتياجاتك الخاصة. يمكنك استكشاف حلول بطاريات مخصصة للمشاريع الروبوتية والطبية والبنية التحتية.
3. ما هي كيمياء بطارية الليثيوم التي توفر أعلى استقرار حراري؟
كيمياء | الاستقرار الحراري | إطلاق الأكسجين | تطبيقات نموذجية |
|---|---|---|---|
فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) | مرتفع | بدون سلوفان | الطبية والأمنية والبنية التحتية |
النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) | معتدل | نعم | الإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات الكهربائية |
نصيحة: اختر LFP لتحقيق أقصى قدر من الأمان في البيئات عالية الخطورة.
