نماذج الفشل المشتركة في البطاريات الليثيومية في الإلكترونيات الاستهلاكية

وقد جعلت البطاريات الليثيومية والبطاريات الليثيومية - البوليمرات الطاقة التي تقارب كل جهاز استهلاكي محمول اليوم، من الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة إلى مآوي وأقراص الأذن اللاسلكية، وقدرتها العالية على إعادة شحن مئات المرات، غير أن هذه النظم نفسها يمكن أن تفشل بطرق عديدة، وأحيانا بشكل كبير، ففهم كيف ولماذا تساعد المستعملين على تمديد الحياة، ومنع حدوث حوادث، واختيار منتجات أكثر أمانا.

1- ازدهار القدرات وتدهورها على أساس العمر

ففقدان القدرة هو أكثر أشكال تردي البطاريات شيوعا ويمكن التنبؤ به، وكل دورة من التكليف تتسبب في تغيرات كيميائية لا رجعة فيها، وتنمو طبقة التكتيك الكهربي الصلبة، وتستهلك الليثيوم النشط، وتحلل المذيبات الكهربائية، وتفقد مواد الكاثود السلامة الهيكلية، وتخفض هذه الآثار أيضا كمية الطاقة التي يمكن أن تخزنها البطارية، وتلاحظ المستعملون فترات أطول من حيث الحرارة، بعد 300 مرة.

2 - الدوائر القصيرة الداخلية وتشكيل دندريت

وتنشأ اختصارات داخلية عندما يلمس الكهروديس الايجابية والسلبية مباشرة داخل الزنزانة، ويمكن أن تؤدي عيوب التصنيع - مثل تلوث الجسيمات المعدنية أو سوء نوعية الفصل - إلى اختصارات مبكرة، وأكثر غموضا هي النسيج: اختصارات البطاريات ذات الجرعات الفلزية التي تنمو أثناء التعبئة السريعة أو الارتطام.

3 - مسارات الركض الحراري

إن المجرى الحراري هو أكثر أنماط الفشل خطورة، إذ يبدأ عندما يتجاوز توليد الحرارة الداخلية قدرة البطارية على تفريق الحرارة، كما أن ارتفاع درجة الحرارة، والتعجيل برد الفعل الحراري داخل الخلية، وتطلق الخلايا الكهربية الغازات القابلة للاشتعال، وتتقلص أو تذوب التركات، مما يؤدي إلى حدوث المزيد من النقص الداخلي، ويمكن أن يؤدي هذا التعاقب إلى إطلاق النار والانفجار، وتفجير أجهزة التوليد السامة.

٤ - الكساد في المضمار و " الفول " القصير

ولا توجد جميع الاختصارات الكارثة، وقد ينتج عن اختصار " الصدر " سوء تلف كهربي طفيف أو تلوث طفيف، مما يتسبب في ارتفاع معدل الإهلاك الذاتي العادي، وقد لا تزال البطارية تعمل، ولكنها ستظهر هبوطا سريعا في الفول، وقد يؤدي ذلك بمرور الوقت إلى اختلال الخلايا في مجموعات متعددة المحصول، مما يقلل من القدرة على الاستخدام، ويتسبب في توقف مبكر.

5- توليد الغازات والارتفاع

وكثيرا ما ترتفع بطاريات الليثيوم عند إنتاج الغازات الداخلية عن طريق التحلل الكهربائي أو الهجمات الرطبة، وتتوسع خلية الحقيبة، وتدفع نحو إسكان الأجهزة، وفي حين أن التورم لا يعني دائما الفشل الوشيك، فإنه يشير إلى تراكم الضغط واحتمال فقدان الكهروليت، ويمكن للبطاريات المحمولة ذات العجلات السائبة أن تمزق وتتسبب في حروق كيميائي أو حريق إذا ما تعرضت للتوتر.

أسباب الفشل

عوامل التصنيع

وحتى في المصانع التي تخضع لرقابة جيدة، يمكن أن تلوث الجسيمات المجهرية من الفلزات أو الغبار، وقد تجتذب هذه الجسيمات للكهرباء أثناء التجمع وتتسبب في اختصارات في نهاية المطاف، وقد تم في نهاية المطاف اقتفاء ضعف التوابل الكهربائية، وعدم كفاية التجفيف، وضعف التنافر، من عيوب أخرى محتملة.

Overcharging and Over —discharging

ويجب أن تظل بطاريات الليثيوم في إطار نافذة صارمة، عادة ما تتراوح بين 2.5 و4.2 خامساً لكل زنزانة، وأن يتجاوز الحد الأعلى (المتعاقب) يقطع الليثيوم من الفهد واللوحات التي يُستخدم فيها في المقاطع، ويشكِّل كلا الشقوقين، ويمكن أن يحل التفكيك تحت الفولط المقطعي لحوادث النحاس، مما يخلق شظايا من النحاس تمنع الخلية.

الإجهاد الحراري

ويعجل الحرارة كل رد فعل تردي داخل البطارية، إذ يعمل عند 45 درجة مئوية من الخفض في دورة الحياة تقريباً في النصف بالمقارنة مع 25 درجة مئوية. ويمكن أن تؤدي درجات الحرارة القصوى - فوق 60 درجة مئوية - إلى الانكماش أو الذباب، مما يؤدي مباشرة إلى نقص داخلي.

الإساءة البدنية

إن إلقاء جهاز ما يمكن أن يُسقط في غلاف الخلية أو يُغير طبقات داخلية، فإلقاء بطارية (مثلاً، مع إبرة أو جسم حاد) يؤدي دائماً إلى اختصار عنيف، بل إن تكرار اليقظة يمكن أن يُثبط الروابط الداخلية بمرور الوقت، ولا ينبغي للمستعملين أن يحاولوا فتح أو الضغط أو تعديل عبوة البطارية.

الشيخوخة وحياة الجدول

وتتدهور جميع بطاريات الليثيوم حتى عندما تخزن بدون استخدام، وتتسارع مستويات الشحن المرتفعة )١٠٠ في المائة من الشحن( وارتفاع درجات الحرارة في التقويم، وتخزن البطارية بنسبة ٤٠ في المائة، و ١٥ درجة مئوية من فقدان القدرة على العمل على مدى أشهر عديدة، ولهذا السبب يقوم المصنعون بشحن أجهزة جديدة بنسبة ٥٠ إلى ٦٠ في المائة - وهي تحافظ على البطارية أثناء التخزين.

بناء آليات السلامة في البطاريات الحديثة

نظام إدارة البطاريات

وجهاز إدارة المباني هو دماغ مجموعة البطاريات، ويرصد التطاير الخلوي، والحاضر، ودرجات الحرارة، ويقطع الشحن عندما تصل أي خلية إلى أقصى درجة من الفولط، ويقيم خلايا للحفاظ على مساواةها، ويفصل الحزمة إذا تجاوزت درجة الحرارة عتبة آمنة، كما أن البرمجيات العالية الجودة من نوع BMS تتبع حالة الصحة ويمكن أن تُعلم حالات الفشل المحتملة.

جهاز التدرج الاستيعابي

فمحطة منع انتقال الفيروس من الأم إلى الطفل هي فتيل قابل لإعادة التثبت ويزيد من المقاومة بشدة عندما يتجاوز حجمها حدا، وهي تحمي من السراويل الخارجية - على سبيل المثال إذا كان ميناء شحن الجهاز مقصرا ب جسم أجنبي، وعندما يزول الخطأ ويبرد جهاز منع انتقال العدوى، فإنه يستأنف التشغيل العادي.

جهاز التفريغ المفاجئ الحالي

وتحتوي خلايا عديدة من الزنزانات الكهرمائية على جهاز مدمج يفصل بصورة دائمة الصلة الداخلية للخلية إذا ما اكتسب ضغط الغاز مستوى خطيرا، مما يوفر دفاعاً عن آخر خط دفاعي ضد المدرج قبل فتح فتح فتح فتح فتحة فتحة الأمان.

موقع وقسم بورست

وإذا أصبح الضغط الداخلي شديد التطرف (من توليد الغاز)، فإن منطقة مُسجلة أو فتحة فتح فتح فتحات فتحت لإطلاق الغازات في اتجاه مُسيطر، مما يحول دون انفجار غلاف الخلية، وفي خلايا الحقيبة قد يفتح الختم عند نقطة ضعف.

التدابير الوقائية وأفضل الممارسات

ويمكن للمستعملين أن يقللوا بدرجة كبيرة من خطر الفشل في البطاريات باتباع هذه المبادئ التوجيهية:

  • Use certified chargers and cables.] Aftermarket products may not respect the correct charging profile or may lack proper safety certifications.
  • Avoid extreme temperatures.] لا تترك الأجهزة في ضوء الشمس المباشر، في سيارة ساخنة، أو بالقرب من مصادر الحرارة، وبالمثل، تتجنب التملص في ظروف التجميد - إذا كان الجهاز باردا، وتسمح له بالدفء أولا.
  • ] لا تُحمَّل تكاليف إضافية.] تتوقف الأجهزة الحديثة عن الشحن بنسبة 100٪، ولكن إبقاءها مُنفخة لأسابيع يمكن أن يُشدِّد على البطارية، ويُبطل مفعولها مرة كاملة، وينظر في تحويلها إلى سمات للضربات التي تحد من الشحن إلى 80٪ للاستخدام اليومي.
  • Replace swollen or aging batteries promptly.] If you notice the tool casing bulging, the battery door not closing flush, or unusually short times, have the bat replaced by a qualified technicalnician. do not attempt to puncture or dispose of a swollen batt in normal waste.
  • Store batteries properly.] For devices you don’t use often (e.g., a reserve), store with the bat at about 40 - 60 % charge in a cool, dry place. This minimises appendix elderly.
  • Inspect for physical damage.] If a tool has been dropped hard, look for dents or bulges. even if the tool still works, internal damage may exist.
  • Follow manufacturer guidelines.] Use only replacement batteries specified for your tool. Third--party batteries may not have similar safety protections.

الاستنتاج: الطريق إلى الأمام

وتتواصل تطور تكنولوجيا الليثيوم - الكيمياء الجديدة مثل الليثيوم الفوسفاتي المتين - الفيزوفاتية أكثر أمانا وأقل عرضة للطرق الحرارية، وتستبدل البطاريات الصلبة - التي لا تزال في طور التنمية - بالكهرباء السائلة بجهاز منعزل صلب، ويقضي عمليا على تكوين الطوابق المحايدة ويحسن بشكل جذري من سلامة التصنيع.

For further reading on bat safety and failure analysis, see the Battery University article on Li‐ion safety concerns], the ]IEE Spectrum report on lithium —ion battery fires, and the ]UL guide to bat safety testing