Table of Contents
مقدمة
وقد تحولت المركبات الكهربائية بسرعة إلى وسائل النقل الشخصية والأسطولية، مما يوفر بديلا مستداما لمركبات محركات الاحتراق الداخلي، ومع تعجيل عملية التبني، أصبحت سلامة نظم بطارية الليثيوم في ظروف التحطم مجالا حاسما للتحقيق، وعندما يكون هناك فيروس إي في حادث، يمكن لمجموعة البطاريات أن تختبر قوى وتشوهات تتجاوز ظروف التشغيل العادية، مما يؤدي إلى إخفاق مكثف في استخدام أدوات التوليد.
لمحة عامة عن عناصر البطاريات الليثيوم - الأيون
ولفهم الفشل في ظروف الحوادث، من الضروري أولاً دراسة المواد الأساسية وهيكل خلية الليثيوم - الأيون، ويؤدي كل عنصر دوراً متميزاً في التشغيل العادي ويسهم بشكل مختلف في الفشل في السلوك تحت الضغط الميكانيكي أو الحراري.
المواد الخام
والمعرّض للكهرباء السلبي، الذي يتألف عادة من مواد مصورة أو غير ذلك من المواد الكربونية التي تتداخل بين أيون الليثيوم أثناء الشحن، ويوفّر الأنود الصخرية قدرة جيدة واستقراراً في التدوير، ولكنها رطبة آلياً ويمكن أن تكسر تحت حمولات الارتطام، وعندما يُعرّض هيكل العقد للتقلبات، فإنها قد تفقد الاتصال الكهربائي، أو تولد بؤوساً داخلية أكثر طاقاً، أو تُعُتُتُتُتُتُها.
مواد خام
إنَّ الكمّة هي الكهروود الإيجابي، الذي يُصنع عادةً من أكسيدات الليثيوم المعدني مثل أكسيد الليثيوم الكوبالت، وأوكسيد النيكل المنغنيز النيكلي، أو فوسفات الحديدي المُتعجّل في مادة الكبريت، أو هذه المواد تحدد تطاير الخلايا، والقدرة، والثبات الحراري.
Electrolyte and Separator
والكهرباء هي ملح الليثيوم المذوب في المذيبات العضوية، مما يوفر نقلاً أيوناً بين الكهروديسات، وتشمل المذيبات المشتركة كربونات الإيثيلين، وكربونات الديثيل، وكربونات الميثيل، التي يمكن أن تكون ذات مرونة كبيرة، والفصل هو فيلم متعدد البوليمرات، يسمح عادة بنزاهة البوليثيلين أو البوليبروبيلين، التي تخلق الزهر الكهرباء والكارثودية.
المجمّعون الحاليون والتعبئة
وتُستخدم حمى النحاس في شكل جامعات جارية على جانب الأنود، بينما تستخدم حمى الألومنيوم على جانب الكثود، وتوفر هذه الأعصاب وصلة كهربائية، ولكنها يمكن أن تمزق أو تنخفض تحت السلالة الميكانيكية، مما يؤدي إلى تركيز وتدفئة في الوقت الراهن، وتُستخدم عبوة الخلايا، سواء كانت مُنْسَنة أو مُقدِّرة أو شكل قوس، مما يسهم في السلامة الهيكلية العامة.
نماذج الفشل المشتركة في الحوادث الإلكترونية
ويمكن أن تفشل بطاريات الليثيوم -يون في حوادث العنف المنزلي من خلال عدة آليات متميزة، تحدث في كثير من الأحيان في إطار مزيج، وتحديد هذه الأساليب الفشلية أمر حاسم الأهمية لوضع تشخيص دقيق واتخاذ تدابير مضادة فعالة.
مسارات حرارية
(ب) إن العجلات الحرارية هي أكثر أنماط الفشل خطورة، التي تتسم بزيادة درجة الحرارة غير الخاضعة للمراقبة والتي تؤدي إلى إطلاق النار والتفجيرات والغازات السامة، وهي عادة ما تبدأ بحدث مسبب للإصابة مثل دائرة داخلية قصيرة، أو التشويه الميكانيكي، أو التدفئة الخارجية، وتزيد الحرارة الناجمة عن ردود الفعل الخارجية داخل الخلية عن ارتفاع الحرارة المحيطة بحوالي 130(16).
الضرر الميكانيكي والفشل الهيكلي
وفي اصطدام، يمكن أن تتعرض مجموعة البطاريات لسحق أو قذف أو تغلغل أو قصف، ويمكن أن يؤدي الضرر الميكانيكي إلى تمزق خلايا فردية، وكسر أجهزة التجميع الحالية، وفصل الدموع، وكشف المواد الداخلية للبيئة، وحتى إذا ظل الهيكل الأساسي سليما، فإن التشهير المحلي قد يتسبب في حدوث دوائر كهربائية قصيرة داخلية على مستوى الكهرومغناطيس.
الدائرة الداخلية القصيرة
وتنشأ دوائر داخلية قصيرة عندما يتواصل المقطع والقطع اتصالا مباشرا بسبب الفشل الانفصالي، ويمكن أن ينتج عن ذلك تمزق ميكانيكي، ونمو الليثيوم الكثيف أثناء الإفراط في الشحن، أو الانكماش الحراري للفصل، وفي سيناريو الحوادث، يكون التشوه الميكانيكي هو أكثر العوامل شيوعا، ويؤدي النقص الداخلي إلى سرعة التسريح المحلي، مما يولد حرارة شديدة يمكن أن تذيب المواد المتاخمة وتدفع إلى الحد الأدنى من الوقت.
Electrolyte Leakage and Gas Venting
وعندما يتم اختراق التموين الخلوي، يمكن للكهرباء أن تتسرب إلى البيئة المحيطة، فالكمائن الكهربائية قابلة للتقلب والمشروبات، مما يخلق مخاطر حريق وسمية للشاغلين والمستجيبين الأولين، ويضم العديد من مجموعات البطاريات آليات للتنفيس لإطلاق الضغط الداخلي أثناء الأحداث الحرارية، ولكن التهوية غير الخاضعة للمراقبة يمكن أن تعجل بانتشار الغازات القابلة للاشتعال.
شاحنات القوس الكهربائي
وتشغل مجموعات البطاريات ذات التأثير العالي في فولتات تتراوح بين 400 و 800 فولت في المركبات الإلكترونية الحديثة، وفي حادث، يمكن أن تؤدي الأسلاك المتضررة، والمحطات الطرفية المعرضة للإصابة، أو الحطام الارتطام، إلى إحداث أخطاء في القوس الكهربائي تولد حرارة شديدة ومواد محيطة بها، وتصبح أخطاء القطبية خطيرة بصفة خاصة لأنها يمكن أن تحدث حتى بعد وقوع الحدث الرئيسي الذي يمكن أن يعاد استخدامها بعد جهود القمع الأولية.
العوامل المساهمة في فشل البطارية في الحوادث
ويتوقف احتمال حدوث عطل في البطاريات في حادث فيضدي على تفاعل معقد بين العوامل الميكانيكية والحرارية والكهربية.
ظروف شدة التأثير والهبوط
ويؤثر حجم قوات التأثير واتجاهها تأثيرا مباشرا على مدى الضرر الناجم عن البطاريات، إذ تفرض عمليات التصادم الأمامية والجانبية والارتطام الخلفية ظروفا مختلفة للتحميل على مجموعة البطاريات، التي عادة ما تكون مثبتة في الطابق الأرضي للمركبات، وتتصل آثارها الجانبية بصفة خاصة إلى أنها يمكن أن تسحق مباشرة عبوة البطارية على هيكل المركبات، وقد تؤدي سرعة التأثيرات الجيولوجية للجسم المضرب، وطول إلى انخفاض في بيان الفشل.
تصميم البطارية وهيكلها
وتؤثر تصميمات البطارية تأثيرا كبيرا على القدرة على التحطم، وتشمل معايير التصميم الرئيسية شكل الخلايا (المحلية، والزمات، والحقيبة)، وترتيبات الوحدات، وقوام التعبئة، وإدماج نظام الإدارة الحرارية، والحزم المصممة بمناطق السحق، والمتقاطعات، والمباعدة الاستراتيجية للهواتف الخلوية يمكن أن تستوعب الطاقة الاصطناعية وتحمي الخلايا الفردية، ويجب أن تكون نقاط التكبل بين الحزمة وتركيب في المركبات مثبت متمثل في الحملات الضوئية دون نقل القوة.
حالة الشحن في التأثير
وتؤثر حالة الشحن في وقت وقوع حادث تأثيراً عميقاً على سلوك الفشل، وتزداد الخلايا في أعلى مستوى للتشغيل الذاتي نشاطاً وأكثر تفاعلاً، مما يعني أن أي حدث للفشل سيطلق مزيداً من الحرارة ويولد المزيد من الغاز، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأنف في خلية محمولة بالكامل أكثر عرضة لبطولة الليثيوم والنمو الدهني، مما قد يزيد من احتمال حدوث آثار على الهياكل الأساسية الداخلية القصيرة.
التدرج والظروف البيئية
وتؤثر درجة الحرارة المحيطة وقت وقوع الحادث في الحالة الحرارية الأولية للبطارية وقابليتها للفشل، إذ تقل درجات الحرارة المحيطة العالية عن عتبة المجرى الحراري ويمكن أن تعجل ردود الفعل على التدهور، بينما تقلل درجات الحرارة من معدلات الرد، يمكن أن تجعل المواد أكثر رشاً وتزيد من احتمال حدوث كسر ميكانيكي، كما أن درجة الحرارة ترتفع داخل الحافة الحرارية قد تكون غير مستقرة؛
:: عدم الاتساق في الجودة والمواد
ويمكن أن تؤدي عيوب التصنيع في الخلية أو الوحدة أو مستوى الحزم إلى نقاط ضعف تفشل بشكل تفضيلي في حمولات التحطم، ومن الأمثلة على ذلك سوء الطلاء الكهربائي، وعدم كفاية التوتر الانفصالي، والعيوب الحامضة في المجمعات الحالية، وباطلة في المعاطف المادية النشطة، بل إن التناقضات الطفيفة يمكن أن تصبح عوامل تركيز للإجهاد الحرجة أثناء التأثير.
تحليل الحوادث وأساليب التشخيص
ويتطلب فهم كيفية فشل البطاريات في الحوادث في العالم الحقيقي إجراء تحليل منهجي لما بعد الحوادث، ويستخدم الباحثون والمحققون مجموعة من التقنيات لوصف أساليب الفشل وتحديد الأسباب الجذرية.
التفتيش المادي والتصنيف
ويتيح الفحص البصري لحزمة البطاريات بعد وقوع حادث أول مؤشر على مدى الضرر، ويتيح المسح الضوئي للأشعة السينية فحصا غير مدمر للهياكل الخلوية الداخلية، ويكشف عن تشوهات الكهرورود، والضرر المنفصل، والأماكن الداخلية للدائرة القصيرة، ويوفر التصوير الإلكتروني المفصل للكيمياء، وتقنيات التحلل الأشعة السينية المميزة للأشعة السينية.
التصنيع الحراري والكهربائي
ويمكن للتصوير الحراري بعد وقوع الحوادث أن يحدد البقع الساخنة والمصادر الحرارية المتبقية داخل الحزمة، كما أن الاختبارات الكهربائية، بما في ذلك قياس الطلاء المفتوح والتناوب في المطياف الحالي، توفر معلومات عن حالة الخلايا المتضررة ووجود سراويل داخلية، وتساعد المحققين على إعادة بناء تسلسل الأحداث أثناء الفشل، وتحدد ما إذا كانت البطارية لا تزال نشطة كهربيا في وقت التفتيش.
تحليل الغاز
ويمكن لتحليل الغازات التي تم إطلاقها خلال الأحداث الحرارية أن يكشف عن ردود الفعل الكيميائية التي حدثت داخل الخلايا، إذ أن أشعة الغازات والمطياف الكتلي تحدد تكوين غازات الهفائية، بما في ذلك الهيدروجين، وأول أكسيد الكربون، والميثان، والأنواع المفلورة من التحلل الكهربائي، ويمكن أن يشير وجود ووفرة غازات محددة إلى درجة الحرارة التي بلغتها وإلى مدى الفشل في التحلل الكاسي، مما يوفر أدلة على مسارات.
الآثار المترتبة على تحسين السلامة والتصميم
وتُسترشد في عمليات التحليل التي أجريت على أساس تحليل الفشل، بصورة مباشرة، بتحسينات السلامة في تصميم البطاريات، وهيكل المركبات، وبروتوكولات الاستجابة لحالات الطوارئ.
تعزيز الهياكل الأساسية
وتبدأ حماية مجموعة البطاريات من الأضرار الناجمة عن تصميم هيكلي على مستوى المركبات، ويمكن أن تمنع السطوانات الجانبية المعززة، والقطع الأعضاء، والدروع الخفيفة من الدخول إلى مقصورة البطاريات، وتشتمل بعض التصميمات على رغاوي أو هياكل رعاة العسل حول المجموعة لتبديد طاقة التأثير، والهدف هو الحفاظ على سلامة الميكانيكية لضميمة البطاريات في ظل كل ما يمكن أن يُحد من الارتطام.
تحسين نظم الإدارة الحرارية
(أ) نظم إدارة حرارية نشطة، بما في ذلك التبريد والتدفئة بالسائل، تساعد على الحفاظ على درجة الحرارة القصوى خلال التشغيل العادي، ويمكنها التخفيف من انتشار الممر الحراري أثناء الحوادث، وتشمل التطورات الأخيرة مواد للتغير التدريجي التي تستوعب الحرارة أثناء الأحداث الحرارية، وطبقات العزل القائمة على الهباء بين الخلايا، ونظم إطفاء الحرائق الداخلية، كما يجب أن يعمل نظام الإدارة الحرارية بفعالية بعد وقوع حادث لمنع حدوث إخفاقات في هذا المجال.
المواد الانفصالية المتقدمة
ويجري تطوير الجيل القادم من المفرقعات لتحمل درجات حرارة أعلى وكميات ميكانيكية، فالفصليات المجهزة بالأشعة، مثلا، توفر استقرارا حراريا محسنا ومقاومة للتقلص، إذ أن المفرقعات غير المأهولة التي تنتج عن مواد مثل البوليميد أو الألياف الهرمية توفر قوة ميكانيكية أكبر ومقاومة للتطهير، وتعمل بعض أفرقة البحث على معالجة العيوب ذاتية التي يمكن أن تصلح العيوب الصغيرة.
الاختبارات والاختبارات
بروتوكولات الاختبار الشاملة ضرورية للتحقق من سلامة البطاريات في ظروف التحطم، وقد وضعت الهيئات التنظيمية ومنظمات الصناعة اختبارات موحدة، بما في ذلك اختراق الأظافر، والسحق، والإفراط في الشحن، والتدفئة الخارجية، غير أن الحوادث في العالم الحقيقي تنطوي على تحميل متعدد الضرائب يصعب تكراره في المختبر.
نظم إدارة البطاريات المتقدمة
ويؤدي نظام إدارة البطاريات دوراً حاسماً في الكشف عن الظروف الشاذة أثناء وقوع حادث وبعد وقوعه، وتشمل برامج إدارة البطاريات الحديثة الفولطية ودرجة الحرارة ومجسات الضغط في جميع أنحاء المجموعة، مما يتيح رصد صحة الخلايا في الوقت الحقيقي. ويمكن للمصابين بمرض الأشعة أن يكشفوا عن وجود دوائر إنذار داخلية قصيرة، وفشلات في العزل، وشبهات التشخيص ذات الحساسية العالية.
حالات الطوارئ في مجال الاستجابة وإدارة الأسطول
بالنسبة لمشغلي الأسطول والمستجيبين الأولين فهم سلوك فشل البطاريات أمر أساسي لإدارة الحوادث الآمنة.
البروتوكولات اللاحقة للاختطاف
وبعد حادث EV، قد تظل مجموعة البطاريات تشكل خطراً على ساعات أو حتى أيام بسبب خطر تأخر المدرج الحراري، وينبغي لمشغلي الأسطول وضع بروتوكولات واضحة لتفتيش المركبات وعزلها وتخزينها بعد أي حادث ينطوي على ضرر محتمل بالبطارية، وينبغي أن تتضمن هذه البروتوكولات إجراءات لفصل نظام البطاريات العالية، ورصد درجة الحرارة، وتخزين أفضل المركبات في موقع معين. [(المشروع EFLV: /1])
التدريب والتوعية
وينبغي أن يتلقى موظفو وسائقو صيانة الأسطول تدريبا على المخاطر الفريدة المرتبطة ببطاري الليثيوم -يون، ويشمل ذلك الاعتراف بعلامات التلف بالبطارية، وفهم أهمية الإبلاغ الفوري، ومعرفة كيفية التعامل الآمن مع مركبة ضالعة في حادث، وتساعد عمليات الحفر والدورات لتجديد المعلومات على ضمان اتباع إجراءات السلامة على نحو متسق عبر الأسطول.
الاعتبارات المتعلقة بالحياة الثانية وإعادة التدوير
فالبطاريات التي يتم استرجاعها من المركبات التي تعرضت للصدمات تمثل تحديات فريدة في تطبيقات الحياة الثانية وإعادة التدوير، وحتى إذا بدا أن البطارية غير مضرة من الخارج، فإن التدهور الداخلي قد يحدث مما يضر بسلامتها وأدائها، إذ يلزم إجراء اختبارات تشخيصية سليمة وبروتوكولات للتدرج لتحديد ما إذا كان يمكن إعادة استخدام البطارية التي تعرضت للحادث أو ينبغي توجيهها إلى إعادة التدوير، وهذه الاعتبارات تزداد أهمية مع خطة تشغيل البطارية في نهاية العمر.
الاتجاهات المستقبلية في سلامة البطاريات
ولا يزال مجال سلامة البطاريات يمضي قدما بسرعة، ويقوده الضغط التنظيمي والطلب على السوق على مستوى أعلى من الأداء وانخفاض المخاطر.
البطاريات التابعة للدولة الصلبة
فالبطاريات ذات الوضع الصلب، التي تستخدم كهروليتا صلبا بدلا من سائل، تتيح إمكانية تحسين السلامة بشكل كبير، فالكهرباء الصلبة غير قابلة للاشتعال ويمكن أن تكون قوية ميكانيكيا، مما يقلل من مخاطر تسرب الكهروليت والهروب الحراري، غير أن البطاريات ذات الدول الصلبة تواجه تحديات تتعلق بسلوكية المنظر الأيونية، والاستقرار بين الوجهات، والقدرة على التصنيع الرئيسية.
مواد الصحة الذاتية
وتهدف البحوث التي تجرى في مواد التعافي الذاتي لمكونات البطاريات إلى إيجاد خلايا يمكن أن تسترد من ضرر طفيف، إذ يمكن لبوليمرات التعبئة الذاتية للمفصلين، والمربطات، ومعاطف الكهرباء أن تصلح الشقوق والعيوب قبل أن تؤدي إلى فشل كارثي، وفي حين أن هذه المواد لا تزال في المراحل المبكرة من التنمية، فإنها تعد بتمديد حياة البطاريات وتحسين السلامة في ظروف العالم الحقيقي.
التوائم الرقمية والتحليل الافتراضي
وتتيح التكنولوجيا الرقمية المزدوجة، إلى جانب نماذج التعلم الآلاتي، الرصد المستمر والتحليل التنبؤي لصحة البطاريات عبر أسطول، ومن خلال مقارنة بيانات الأداء في العالم الحقيقي مع محاكاة سيناريوهات التحطم، يمكن للمشغلين تحديد المركبات التي قد تكون في خطر مرتفع واتخاذ تدابير استباقية، ويدعم هذا النهج التحول من الاستجابة للحوادث التفاعلية إلى إدارة السلامة الاستباقية.
خاتمة
إن عدم إجراء تحليل لمواد بطارية الليثيوم في حوادث المركبات الكهربائية هو من الانضباطات الحاسمة التي تقوم عليها عملية النشر الآمن للنقل الكهربائي، ومن خلال فهم كيفية قيام المجتمعات المحلية بالتشهير والثروة الكهربائية والكهرباء، وتصريف المواد المنفصلة تحت الضغط الميكانيكي والحراري، يمكن للمهندسين تصميم نظم للبطارية أكثر قدرة على التكيف تحمي المحتلين والمستجيبين الأولين.