كيف يمكن إيقاف انفجار بطاريات الليثيوم أيون بسبب الهروب الحراري؟

يعد الهروب الحراري مشكلة طويلة الأمد تزعج الشركات الكبيرة مثل تسلا , سامسونج ، و بوينغ والصغيرة على حد سواء.

تم إيقاف طائرة بوينغ دريملاينر 787، التي أعلنت شركة بوينغ أنها فعالة في استهلاك الوقود بنسبة 20٪، عن التحليق في عام 2013. وفي نفس العام، خضع طراز تسلا موديل S لتحقيق فيدرالي للسلامة بعد أن اشتعلت فيه النيران ثلاث مرات على الأقل. في العام الماضي، استدعت سامسونج 2.5 مليون هاتف ذكي من طراز Galaxy Note 7.

بالنسبة لجميع الشركات الثلاث، التي تعد من كبار اللاعبين في مجالها، كانت المشكلة نفسها - بطاريات الليثيوم أيون المثبتة في قلب منتجاتها كمصدر للطاقة. كانت بطاريات الليثيوم أيون المثبتة في سيارات Tesla Model S وDreamliner 787 وGalaxy Note 7 تنفجر بشكل مستمر.

لماذا تنفجر بطارية الليثيوم أيون بشكل غير متوقع؟

تعد بطاريات الليثيوم أيون أكثر أنواع البطاريات استخدامًا في العديد من الصناعات، ولكن هل تعرف ما الذي يجعلها خطيرة؟ إذا كنت باحثًا تعمل مع بطاريات الليثيوم أيون، فستعرف أن أحد الأسباب الرئيسية وراء انفجار معظم بطاريات الليثيوم أيون هو الهروب الحراري.

ما هو الهروب الحراري ولماذا هو السبب الرئيسي لانفجارات البطاريات؟
في بطاريات الليثيوم أيون، يتم فصل الكاثود والأنود بواسطة فاصل رقيق من البولي إيثيلين - أحيانًا 10 ميكرون. عندما ينفجر هذا الفاصل، تحدث دائرة كهربائية قصيرة والتي تبدأ عملية تسمى الهروب الحراري.

يحدث الهروب الحراري عادةً أثناء الشحن. ترتفع درجة الحرارة بسرعة إلى نقطة انصهار الليثيوم المعدني وتسبب رد فعل عنيفًا.

سبب رئيسي آخر وراء الهروب الحراري هو ملامسة الجزيئات المعدنية المجهرية الأخرى لأجزاء مختلفة من البطارية (يحدث هذا طوال الوقت أثناء عملية تجميع البطارية)، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي.

عادة، يمكن أن تؤدي دائرة كهربائية قصيرة إلى ارتفاع التفريغ الذاتي وتوليد حرارة قليلة لأن طاقة التفريغ منخفضة جدًا. ولكن، عندما تتجمع كمية كافية من الجزيئات المعدنية المجهرية في نقطة واحدة، يمكن أن يحدث ماس كهربائي كبير وسوف يتدفق تيار كبير بين الصفائح الموجبة والسالبة.

يؤدي هذا إلى ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى الهروب الحراري، والذي يشار إليه أيضًا باسم "التنفيس باللهب".

أثناء الهروب الحراري، يمكن أن تنتشر الحرارة العالية للخلية الفاشلة إلى الخلية التالية، مما يجعلها غير مستقرة حراريًا أيضًا. وفي بعض الحالات، يحدث تفاعل متسلسل تتفكك فيه كل خلية في الجدول الزمني الخاص بها.

لماذا يعد انفجار بطاريات الليثيوم أيون مشكلة كبيرة للجميع؟

يتم تشغيل الهاتف الذكي الموجود في جيبك بواسطة بطارية ليثيوم أيون . إنها واحدة من أكثر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن شيوعًا للإلكترونيات المحمولة نظرًا لكثافة الطاقة العالية وتأثير الذاكرة الصغير وانخفاض التفريغ الذاتي.

وبعيدًا عن الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، تحظى بطاريات الليثيوم أيون بشعبية كبيرة في التطبيقات العسكرية والمركبات الكهربائية والفضاء. على سبيل المثال، حلت بطاريات أيونات الليثيوم محل بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية التي تم استخدامها تاريخيًا في عربات الجولف ومركبات الخدمات.

ومن المتوقع أن يصل حجم السوق العالمية لبطاريات الليثيوم أيون إلى 46.21 مليار دولار بحلول عام 2022، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 10.8٪ خلال الفترة 2016-2022.

بالنسبة لشيء أصبح جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية بهذه الوتيرة السريعة، فإننا بالفعل نخاطر بحياتنا بوجود هذه البطاريات حولنا.

نظرًا لتطبيقاتها، لا يمكن استبدالها بسهولة، ولكن إذا أمكن حل مشكلة الانفلات الحراري، فسيتم استعادة التوازن في الجنة.

كيف يمكننا منع الهروب الحراري في بطاريات ليثيوم أيون ؟

1. تقديم مثبطات اللهب
غالبًا ما يحدث الهروب الحراري من الثقوب والشحن غير المناسب. ولمواجهة مخاطر الحرائق هذه، استخدم المخترعون سائلًا حراريًا يحتوي على مثبطات اللهب.

مثبطات اللهب عبارة عن مركب يمنع أو يثبط أو يؤخر إنتاج اللهب أو يمنع انتشار الحريق.

هنا لديهم مثبطات اللهب المغلفة بشكل دقيق (عادةً مركب البروم) في البولي إيثيلين عالي الكثافة والماء المضاف ومركب الجليكول لتحضير السائل الحراري المستخدم. يُستخدم مركب الجليكول هنا كـ "مضاد للتجمد" (مركبات الجليكول الشائعة المستخدمة هي إيثيلين جلايكول، ديثيلين جلايكول، وبروبيلين جلايكول).

كما تتم مناقشة الاختراع في الغالب في ضوء بطاريات السيارات الكهربائية. ترتفع درجة حرارة البطارية عند استدعائها لتشغيل سيارة كهربائية. يتدفق السائل الحراري عبر الحاوية وفوق وحدات البطارية.

في حالة الشحن الزائد، أو وقوع حادث سيارة يؤدي إلى ثقب البطارية، يعمل مثبط اللهب الموجود في السائل الحراري على تقليل خطر الحريق. بتعبير أدق، تنفجر الكبسولات الدقيقة لمركب البروم عند الوصول إلى درجة حرارة التمزق بسبب حرارة النار الزائدة. يتم إطلاق مثبطات اللهب من الكبسولات الدقيقة وتعمل على السيطرة على الحريق.

2. استخدام أجهزة بدء الضرر
يبدو أن حكام جامعة كاليفورنيا نشطون جدًا في البحث عن كيفية التعامل مع مشكلة الانفلات الحراري.

في عام 2006، قدموا براءة اختراع تتعلق بإلكتروليتات البوليمر عالية المرونة المناسبة لمنع الهروب الحراري (US8703310). قدمت مجموعة مختلفة من المخترعين براءة الاختراع هذه (أي US'535) في عام 2013، حول التخفيف من الانفلات الحراري باستخدام مواد أو أجهزة تسبب الضرر.

وبشكل أكثر دقة، فقد قاموا بتطوير آلية إيقاف الانفلات الحراري التي يمكن تشغيلها إما ميكانيكيًا أو حراريًا (أو كليهما)، عند حدوث تلف في البطارية (أي قبل أو بعد فترة قصيرة من بدء الانفلات الحراري) ويهتمون بالمشكلة قبل أن تبدأ حتى .

هناك حاجة إلى مثل هذه الإجراءات المضادة التنبؤية أو الفورية بشكل خاص عندما تتعرض البطارية لتأثير أو ضغط مرتفع (مثل حادث كما ذكرت في براءة الاختراع السابقة US'886 أيضًا) وتلف هيكلها الداخلي، مما يتسبب في قصر داخلي.

المبدأ الأساسي الذي تعمل عليه هو - عندما يتم تطبيق حمل ميكانيكي على البطارية، يمكن أن تؤدي مسببات الضرر إلى تلف واسع النطاق أو تدمير القطب الكهربائي بحيث تزيد المقاومة الداخلية بشكل كبير للتخفيف من الانفلات الحراري حتى قبل أن يحدث ذلك.

لقد تحدثوا هنا عن نوعين من مسببات الضرر -

البادئين الضرر السلبي

تبدأ هذه البادئات في حدوث تشقق أو إفراغ في الأقطاب الكهربائية عند الاصطدام، وتزيد هذه الشقوق و/أو الفراغات من المعاوقة الداخلية للقطب، وبالتالي تقلل من توليد الحرارة المرتبط بالقصر الداخلي المحتمل. تُعرف هذه الإضافات باسم بادئات الشقوق أو الفراغات (CVIs).

يمكن أن تحدث أضرار القطب بسبب عدم تطابق الترابط أو الصلابة في واجهات القطب CVI، والكسر، وتمزق CVI، وما إلى ذلك. تشمل أمثلة الإضافات السلبية الجزيئات الصلبة أو المسامية، والألياف الصلبة أو المجوفة/المسامية، والأنابيب، وما إلى ذلك. يمكن تشكيلها من مواد كربونية مثل الجرافيت، وأنابيب الكربون النانوية، والكربون المنشط، وأسود الكربون، وما إلى ذلك.

بادئ الضرر النشط

يمكن لهؤلاء البادئين إنتاج تغيير كبير في الحجم أو الشكل عند التحميل الميكانيكي أو الحراري. يمكن أن تشتمل مسببات الضرر النشط على جسيمات صلبة أو مسامية، وخرزات صلبة أو مجوفة، وألياف وأنابيب صلبة أو مجوفة/مسامية، وما إلى ذلك. ويمكن تشكيل مسببات الضرر النشط من سبائك ذات ذاكرة الشكل مثل Ni—Ti، وNi—Ti—Pd، وNi -Ti-PT، إلخ.

المواد الكيميائية التي يتم إطلاقها أثناء هارب حراري يمكن أن تكون سامة، وفي الحالات القصوى، يمكن أن يتسبب الانفلات الحراري في حدوث حرائق كهربائية و/أو انفجار البطاريات. يجب أيضًا الحفاظ على درجة حرارة الهواء المحيط في بيئة البطارية بشكل صحيح. السيطرة على هذه العوامل تقلل من احتمالية حدوث ذلك هارب حراري .

المصدر:https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/