تحليل عدم وجود مفرقعات من كتيبة ليثيوم -يون في ظروف مفرطة

البطاريات الليثيوم - الأيون والفصل: عنصر السلامة الحرجة

وأصبحت بطاريات الليثيوم - الأسيون تكنولوجيا مهيمنة لتخزين الطاقة للالكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية وتخزين الشبكات وعدد لا يحصى من التطبيقات الأخرى، حيث أن كثافة الطاقة العالية التي تستخدمها، وعمرها الطويل، ومعدلات منخفضة نسبيا للإشعاع الذاتي تجعلها جذابة للاستخدام الاستهلاكي والصناعي على السواء، غير أن هذه البطاريات لا تنطوي على مخاطر، وفي ظل ظروف معينة من سوء الاستخدام، لا سيما في شحن العناصر الداخلية، يمكن أن تفشل بصورة كارثية.

إن المفصل هو عبارة عن نبيذ رقيق ومهين بين الأنود والهز، وتتمثل مهمته الرئيسية في منع الاتصال المادي بين الكهرباء، مع السماح لأيون الليثيوم بالتجاوز خلال دورات الشحن والتصريف، وعندما يفشل المفصل، يمكن أن تتراوح النتائج بين تدهور الأداء التدريجي والطريق الحراري المفاجئ، الذي قد يؤدي إلى إطلاق النار أو الانفجار.

المواد المنفصلة وامتيازاتها

أما مفرقعات البطاريات الحديثة التي تباع من الليثيوم إلىيون فهي عادة مصنوعة من مواد متعددة البوليفين، ومعظمها من البوليبروبيلين وبوليثيلين، وتختار هذه المواد لاستقرارها الكيميائي، وقوامها الميكانيكي، وتكلفة منخفضة نسبيا، غير أن التركيب المادي المحدد، والسموم، والخواص الحرارية كلها تؤثر في كيفية استجابة المفصل للإجهاد المفرط.

مفرقعات بوليبروبيلين

وتقدم أجهزة انفصال بوليبروبيلين نقاطاً عالية الارتحال، عادةً نحو 160-170 درجة مئوية، وقوام ميكانيكي جيد، وكثيراً ما تستخدم في التطبيقات التي يشكل فيها الاستقرار الحراري شاغلاً رئيسياً، وتقاوم أجهزة الفصل بين القطاعين العام والخاص التدهور الكيميائي أفضل من بعض البدائل وتحافظ على سلامتها الهيكلية في ظل ظروف سوء معاملة، غير أنها تميل إلى أن تكون أقل من السخرية مقارنة بمؤشر PE، مما يمكن أن يقلل إلى حد طفيف من السلوك الأيوني.

المفرقعات البوليفية

ويمكن أن تكون نقطة الانصهار في البوليثيلين أقل، وعادة ما تقارب 130 إلى 140 درجة مئوية.() وتُستخدم هذه النقطة الدنيا للذوبان في الواقع كميزة أمان في بعض التصميمات، ويمكن للمفصلين أن يتصرفوا كثيفة حرارية: فعندما ترتفع درجة الحرارة الداخلية بسبب الإفراط في الشحن، فإن درجة حرارة PE المادية، ومساماتها تغلق بشكل فعال، وتقطع خطوط الحرارة المعروفة(أ)

مفرقعات مركبية ومتعددة المطالِبين

وفي كثير من الأحيان، يستخدم المصنّعون المناورات المتعددة الطوابق، مثل هياكل ثلاثية PPP/PE/PP، وفي هذه التصاميم، توفر طبقة PE الداخلية قدرة على إغلاقها عند درجات حرارة متوسطة، بينما تحافظ طبقات تعادلات القوة الشرائية الخارجية على السلامة الميكانيكية وتمنع الانفصال عن الانكماش المفرط، وقد تشمل أيضا مقاومة التصفيات الخزفية، مثل الاستقرار أو الميكانيكي.

معايير الأداء الرئيسية

وتحدد عدة بارامترات أداء الانفصاليين في ظل ظروف مفرطة في الرسوم:

• Porosity:] Higher porosity improves ionic conductivity but can reduceميكانيكية strength.
• Thickness:] Thinner separators reduce internal resistance and improve energy density but are more susceptible toميكانيكي damage.
• Thermal Shrinkage:] The degree to which the separatorان diminishs when exposed to heat. Lowانانكماش حاسم لمنع الاتصال بالكهرباء أثناء الإفراط في الشحن.
• درجة الحرارة التي تغلق فيها مسامير المفصل يجب أن تحدث فوق درجات الحرارة العادية لكن تحت بداية المدرج الحراري
• Puncture Strength:] Resistance to penetration by electrode particles or dendrites.

آليات التغلغل وأثرها على الانفصاليين

ويحدث تجاوز في الشحن عندما تكون بطارية الليثيوم -يون محملة خارج نطاقها الأقصى المصمم، وعادة ما تكون 4.2 في كل خلية لكيمياء أكسيد الليثيوم التقليدي، وتُعتبر آثار الإفراط في الشحن معقدة ومتشابكة، تشمل العمليات الحرارية والكهربية والميكانيكية التي تشدد بصورة جماعية على الانفصال.

بلاستيك الليثيوم وصيغة دينديتري

عندما تكون البطارية مثقفة، لا يمكن تقاطع أيون الليثيوم الزائدة في هيكل الأنود، بل تُودع على سطح الأنود ك الليثيوم المعدني، وهي عملية معروفة بلوحة الليثيوم، ويمكن أن تنمو هذه الليثيوم الملوّنات إلى هياكل مشابهة للأبر تسمى دنتر، وتشكل الديندريس تهديدا مباشرا للمنفصل لأنها يمكن أن تُصهرّ من خلال هيكله المُم.

ويرتفع خطر تكوين الطقوس ارتفاعاً خاصاً تحت معدلات ارتفاع معدلات الشحن وانخفاض درجات الحرارة، غير أن الإفراط في الشحن وحده يخلق ظروفاً تشجع النمو في الطلاء حتى في درجات حرارة متوسطة، لأن الأنوديوم يصبح أكثر تضخماً مع إيونات الليثيوم.

Thermal Runaway and Separator Meltdown

ويولد التكرار الحرارة الزائدة من خلال عدة آليات، أولا، تزداد المقاومة الداخلية للبطارية مع بدء انحسار المفصل، ثانيا، ردود الفعل الجانبية مثل التحلل الكهربائي الكهربي والانهيار الهيكلي الكاسح، حيث ترتفع الحرارة التراكمية إلى درجة الحرارة العالية، وثالثا، أي دوائر قصيرة جزئية تسببها الارتداد أو التلف المنفصل، حيث ترتفع درجة الحرارة، وتقترب نقطة التحلل البالغ عددها 130.

إزالة المواد المتنازعة

كما أن التكفير في النفايات الكيميائية قد يُحدث الكمّات المتصاعدة التي تُحدث الإنفصال عن الكهرباء، تنتج أنواعاً رديئة مثل فلوريد الهيدروجين وغيره من المركبات المفلورة، ويمكن لهذه المواد الكيميائية أن تهاجم المادة الانفصالية، مما يسبب التهاب أو تفكك أو تفكك، أما بالنسبة للمفرقعات المتعددة الكلورات، فإن التحلل الكيميائي أقل حدة من دورة التشفير الحراري،

"الإجهاد الميكانيكي من "إلكرود سويلينغ

كما أن البطاريات الليثيومية تخضع لتغييرات في الحجم أثناء الشحن والتصريف، وقد يتسع نطاق هذا العقد، الذي يُعد عادة من الرسوم البيانية، بحيث يتداخل أيون الليثيوم مع هيكله، ويتسبب في زيادة التصادم بين الليثيوم، مما يؤدي إلى انهيار غير عادي في الأنود، ويمارس هذا الارتفاع ضغطا ميكانيكيا على الممزق، ويزيد من حدة التمزق، ويتسبب في حدوث تمزق أو تلف.

عدم إحراز تقدم وكشف

ويأتي الفشل المنفصل في ظل ظروف مفرطة عادة في أعقاب تقدم يمكن اكتشافه إذا كان هناك رصد مناسب، ويساعد فهم هذا التقدم المهندسين على تصميم نظم للإنذار المبكر وتدخلات السلامة.

المرحلة 1: الأحداث الداعمة

وقبل ظهور أي علامات واضحة على الفشل، تظهر البطارية تغيرات طفيفة، وتبدأ المقاومة الداخلية في الارتفاع، وتفرض انخفاضات في الكفاءة، وقد تصبح البطارية أدفأ قليلا من المعتاد أثناء الشحن، وكثيرا ما تكون هذه المؤشرات صغيرة جدا للكشف دون أجهزة دقيقة، ولكنها تمثل الإنذار المبكر بالإجهاد المنفصل.

المرحلة 2: التحلل الجزئي

ومع استمرار الإفراط في الشحن، فإن المفصل يُجري عمليات إغلاق جزئي أو تنقية جزئية في المناطق المحلية، وقد تظهر البطارية تقلبات متقطعة في الفولط أو انخفاضات في القدرات الصغيرة، وفي هذه المرحلة، لا يزال المفصل يعمل ولكنه ضعيف، وإذا توقف الشحن، فإن البطارية قد تستمر في العمل، ولكن موثوقيتها الطويلة الأجل تتعرض للخطر.

المرحلة 3: عدم التعرض المحلي

ويخلق التغلغل في الدنمارك أو الانكماش الحراري دوائر صغيرة قصيرة، وكثيرا ما يكتشف ذلك كسقوط مفاجئ للفولط أو ارتفاعات في درجات الحرارة، ويمكن أن تحدد نظم إدارة البطاريات هذه الأحداث وتتوقف عن الشحن، ويحتمل أن تمنع الركض الحراري الكامل، إلا أنه إذا لم تكن الدائرة القصيرة مستجيبة أو إذا كانت الدائرة واسعة النطاق، فإن البطارية تنتقل إلى المرحلة النهائية.

المرحلة 4: عدم التعرض للكوارث

وعندما يخترق الفصل العنصري منطقة هامة، فإن البطارية تجتاز دائرة داخلية قصيرة، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، وتتجاوز في كثير من الأحيان 200 درجة مئوية في غضون ثوان، وتنتج مادة إلكتروليت غازات قابلة للاشتعال يمكن أن تشتعل، وهذه هي حادثة المجرى الحراري التي تشكل خطراً على الحريق والانفجار، وفي هذه المرحلة، تدمر المفصل تدميراً كاملاً، وتتجاوز البطارية مرحلة الانتعاش.

أساليب التشخيص الخاصة بالأضرار المنفصلة

ويتطلب الكشف عن الضرر المنفصل دون تفكيك البطارية تقنيات تشخيص متقدمة، وتشمل بعض الأساليب المستخدمة عموما ما يلي:

• Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS): ] Measures the batedance across a range of frequencies. Changes in impedance patterns can indicate separator degradation or dendrite formation.
• Ultrasound Testing:] Ultrasonic waves can detect internal structural changes, including separator flning or delamination.
• X-ray Computed Tomography (CT):] Provides 3D imaging of the batterior, allowing direct visualization of separator damage or dendrite penetration.
• ]Voltage and Temperature Monitoring:] Continuous tracking of voltage and temperature during charging can reveal anomalies that precede separator failure.

الآثار المتعلقة بالسلامة والحوادث الحقيقية في العالم

وقد تورط فشل مفرقعات البطاريات الليثيومية تحت ظروف مفرطة في العديد من الحوادث البارزة، مما يؤكد أهمية وجودة الفصل والحماية الزائدة.

حرائق المستهلكين الإلكترونية

وقد شهدت بطاريات لابوتوب وأجهزة هاتف ذكية وأجهزة استقطاب جميع التذكارات بسبب الفشل في الفصل بسبب الرسوم الزائدة، وفي كثير من الحالات، تم اقتفاء السبب الجذري في صنع عيوب في المفصل، مثل البقع الرقيقة أو التلوث، مما يجعل المفصل أكثر عرضة للإجهاد المفرط، وهذه الحوادث تنطوي عادة على بطاريات صغيرة ولكنها يمكن أن تسبب ضررا كبيرا في الممتلكات وإصابة شخصية.

حرائق البطارية الكهربائية

وتحتوي بطاريات المركبات الكهربائية على آلاف الخلايا الفردية المرتبطة بالسلاسل والموازاة، وإذا كانت إحدى الخلايا تختبر الفشل المنفصل بسبب الإفراط في الشحن، فإن المجرى الحراري الناتج يمكن أن ينشر إلى الخلايا المتاخمة، مما يؤدي إلى فشل متتالي يدمر مجموعة البطاريات بأكملها، وقد أصدر العديد من صانعي السيارات إشارة إلى مجموعات البطاريات التي تبين أنها تعاني من عيوب انفصالية تفاقمت بسبب تجاوز الظروف.

Grid-Scale Energy Storage Incidents

كما أن منشآت البطاريات الكبيرة لتخزين الشبكة قد تعرضت لطلقات مرتبطة بفشل الانفصال، وفي هذه النظم، فإن نظم إدارة البطاريات تتسم بأهمية حاسمة لمنع الإفراط في الشحن، ولكن أخطاء البرامجيات أو إخفاقات أجهزة الاستشعار يمكن أن تسمح بتطور الظروف الزائدة في الدفع، فعندما يبدأ فشل حتى وحدة واحدة يمكن أن يؤدي إلى حريق على نطاق المرفق.

التدابير الوقائية والحلول الهندسية

ويتطلب منع الفشل في الانفصال في ظل ظروف مفرطة اتباع نهج متعدد المستويات يجمع بين التحسينات المادية ونظم الشحن الذكية وممارسات المستعملين.

المواد الانفصالية المتقدمة

ويواصل الباحثون تطوير المفرقعات مع تعزيز التسامح المفرط، وتشمل بعض النهج الواعدة ما يلي:

• High-Melting-Polymers:] Separators made from polyimide, polybenzimidazole, or other high-temperature polymers can withstand temperatures above 200°C without melting, these materials are more expensive but offer significant safety advantages.
• Ceramic-Composite Separators:] Incorporating ceramic particles into the polymermelshe improves thermal stability andميكانيكي strength while maintaining ionic conductivity.
• Self-Shutting Separators: Some advanced designs incorporate materials that undergo irrebore closure at a specific temperature, providing a more reliable closuredown mechanism than conventional PE.
• Dendrite-Resistant Coatings:] Coatings thatميكانيكية block or chemically neutralize dendrites can prevent penetration even if dendrites form.

نظام إدارة البطاريات

ودائرة إدارة المباني هي أول خط دفاع ضد المبالغة في الشحن، كما أن هناك أجهزة مصممة جيداً لرصد الفولط، والحاضر، ودرجات الحرارة لكل خلية أو مجموعة خلية، وتفصل المصدر المقيد إذا تجاوز أي مظلة الحدود الآمنة، كما يمكن أن تكشف الخوارزميات المتقدمة عن التغيرات في الحركة التي تشير إلى تدهور المنفصلين، كما أن أجهزة الاستشعار الخفيضة وبروتوكولات المتعلقة بالاتصالات غير الآمنة تزيد من خطر تجاوز الأحداث.

دائرة الحماية الزائدة

وبالإضافة إلى نظام إدارة المباني، تشمل العديد من مجموعات البطاريات دوائر مخصصة للحماية من الرسوم الزائدة، وقد تستخدم هذه الدوائر صمامات أو أجهزة معامل درجة الحرارة الإيجابية أو أجهزة حد الفولط التي تقطع التدفق الحالي إذا تجاوز الفولطوط عتبة، وبالنسبة لأجهزة المستهلكين، فإن دوائر الحماية تدمج عادة في مجموعة البطاريات نفسها.

نظم الإدارة الحرارية

إن إبقاء البطارية في درجة حرارة مثالية يقلل من الضغط على المفصل أثناء الشحن، كما أن نظم التبريد النشطة، مثل لوحات التبريد السائل أو الهواء القسري، يمكن أن تُثر الحرارة المتولدة أثناء الإفراط في الشحن وتأخير حدوث التدهور الحراري، كما أن الإدارة الحرارية المُتسرعة باستخدام مواد تغيير المرحلة أو مصارف الحرارة تساعد أيضا على الحفاظ على درجة حرارة موحدة عبر مجموعة البطاريات.

الاحتياطات على مستوى المستعملين

ويمكن للمستعملين النهائيين أن يقللوا من خطر الفشل المنفصلي المتصل بالرسوم الإضافية وذلك باتباع هذه الممارسات:

• استخدموا فقط شحنات مصدقة لكيمياء البطارية و الفولط
• تجنب البطاريات التي تشحن في درجات حرارة شديدة، ولا سيما أقل من 0 درجة مئوية أو أكثر من 45 درجة مئوية.
• لا تترك البطاريات المرتبطة بالشحنات لفترات طويلة بعد أن تصل إلى كامل الرسوم.
• فحص البطاريات بانتظام للتنشيط أو التشهير أو الحرارة غير العادية أثناء الشحن
• يستعاض عن البطاريات التي تظهر علامات على الضرر أو انخفاض القدرة.

المعايير التنظيمية والاختبارات

وتنظم عدة معايير دولية اختبارات نوعية ورسوم زائدة لبطاريات الليثيوم -يون، وتوفر هذه المعايير إطاراً للمصنعين لضمان استيفاء منتجاتهم لشروط السلامة الدنيا.

UL 1642 and UL 2054

معايير مختبرات الكاتبين الدونيين 1642 (لخلايا الليثيوم) و UL 2054 (لحزم البطاريات) تشمل اختبارات زيادة في الرسوم التي تعرض البطاريات لشحن ما يصل إلى 25 في المائة من قدرتها المقومة، لكي تمر البطارية يجب ألا تشتعل النار أو تنفجر، وهذه الاختبارات تقيّم بفعالية قدرة المسافر على تحمل الضغط المفرط مع سمات الأمان الأخرى.

IEC 62133

ويحدد معيار اللجنة الدولية للكهرباء الكهربائية رقم 62133 الاحتياجات اللازمة للخلايا الثانوية والبطاريات المختومة المحمولة، ويشمل اختباراً للشحن الإضافي عند درجات الحرارة المرتفعة لتقييم الأداء المنفصل تحت الضغط الحراري والكهربائي الموحد.

SAE J2464

ويركز معيار جمعية المهندسين الآليين SAE J2464 على اختبارات إساءة استعمال المركبات الكهربائية، بما في ذلك سيناريوهات الضغط المفرط، وهذا المعيار يتطلب اختباراً بمعدلات شحن مختلفة ودرجات حرارة لتحفيز ظروف الفشل في العالم الحقيقي.

توجيهات المستقبل في التكنولوجيا الانفصالية

ويزيد من الطلب على المفرقعات من جراء التطور المستمر في بطاريات الليثيوم -يون نحو ارتفاع كثافة الطاقة وارتفاع معدلات الشحن، ويعود العديد من التكنولوجيات الناشئة بتحسين التسامح في مجال الرسوم الزائدة.

منظمة " إكتروليس " التابعة للدولة الصلبة بوصفها من المفرقعين

وتحل البطاريات ذات الوضع الصلب محل الكهرباء السائلة والمسدسات المخروطية ذات طبقة صلبة لا تُنتج أيون، وهذه البطاريات الصلبة غير قابلة للنفخ، ويمكن أن تصمد بدرجة أعلى بكثير من درجات الحرارة التي ترتفع عن البوليمرات، وفي حين أن البطاريات التي تقوم بها الدول الصلبة لم تُستغل بعد على نطاق واسع، فإنها تمثل حلا طويل الأجل للعديد من قضايا السلامة المرتبطة ببطارات الليثيوم التقليدية التي تُطم.

مفرقعون ذكاء مع شركات خدمات الصحة الذاتية

ويستكشف الباحثون المفرقعات التي يمكن أن تصلح الأضرار البسيطة بصورة مستقلة، وتشمل هذه المواد الكبشات الدقيقة التي تحتوي على عوامل الشفاء التي تطلق عندما يشقق الفصل أو ينحف، وإذا بدأت الطقوس تخترق، فإن آلية التعافي الذاتي يمكن أن تغلق الخرق قبل أن تصبح دائرة قصيرة.

AI-Enhanced Battery Management

ويمكن أن تحلل خوارزميات التعلم الماكنة رسوماً على البيانات للتنبؤ بالفشل الانفصالي قبل حدوثه، ويمكن لنظم إدارة المباني، من خلال نماذج تدريبية بشأن بيانات الفشل التاريخي، أن تحدد أنماطاً فرعية تسبق الإفراط في الرسوم وتتخذ إجراءات تصحيحية، مثل الحد من الشحنات الحالية أو إصدار إنذار.

ومن العناصر الحاسمة التي يمكن أن تترتب عليها عواقب خطيرة في مجال السلامة، نتيجة لفشلها في ظل ظروف مفرطة، ومن خلال فهم المواد والآليات وأساليب الكشف التي ينطوي عليها ذلك، يمكن لمهندسي البطاريات والمستعملين اتخاذ خطوات للتخفيف من المخاطر، كما أن التقدم المحرز في المواد الانفصالية ونظم الشحن الذكية والمعايير التنظيمية ستظل ضرورية، مع تطور تكنولوجيا البطاريات، لا تزال الابتكارات المتعلقة بمراكز السلامة في الفصل.