سلامة البطاريات الليثيومية: المخاطر الحرجة الناتجة عن الإفراط في الشحن والإفراط في التفريغ

في الحياة الحديثة، تُستخدم بطاريات الليثيوم بشكل واسع في العديد من المجالات مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية. بفضل مزاياها مثل الكثافة العالية للطاقة وطول عمر الدورة، أصبحت مصدر الطاقة المفضل لعديد من المنتجات الإلكترونية. ومع ذلك، يمكن أن يكون للشحن الزائد والتفريغ المفرط تأثير خطير للغاية على سلامة بطاريات الليثيوم، وقد يؤدي حتى إلى وقوع حوادث أمنية تهدد حياتنا وممتلكاتنا. إذن، ما هي مخاطر الشحن الزائد والتفريغ المفرط؟

يشير مصطلح 'الشحن الزائد' إلى شحن بطارية الليثيوم لفترة طويلة بشكل مفرط، أي تجاوز سعتها الطبيعية للشحن. أثناء الشحن الطبيعي، تكون التفاعل الكهروكيميائي الداخلي داخل البطارية قابلًا للتحكم، لكن حالة الشحن الزائد تُفقدها هذا التوازن. ومع تفاقم الشحن الزائد، تصبح تركيز أيونات الليثيوم مرتفعًا جدًا على سطح القطب السالب، وتبدأ بالترسب مُشكِّلةً بلورات لِيثيوم شائكة (Dendrites). تشبه هذه البلورات الشائكة سكاكين حادة تقطع من الداخل بشكل عشوائي. وبمجرد أن تخترق الغشاء الفاصل، تؤدي إلى حدوث دائرة كهربائية قصيرة داخل البطارية. وفي لحظة حدوث القصر، يُنتَج كمية كبيرة من الحرارة، ما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية بسرعة، وقد يسبب ذلك اشتعالها أو حتى انفجارها. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي الشحن الزائد إلى تحلل الإلكتروليت وتكوين الغاز، مما يزيد الضغط الداخلي داخل البطارية. وعندما يتجاوز هذا الضغط حدود هيكل البطارية، تنتفخ البطارية أو حتى تنفجر، مما يؤدي إلى تسرب مواد ضارة تؤدي إلى تلويث البيئة وتهديد صحة الإنسان.

لا ينبغي الاستهانة بالتفريغ الزائد أيضًا. فعندما تُفرَّغ بطارية الليثيوم بشكل زائد ويكون جهد نهاية التفريغ أقل من الحد الأدنى المحدد، ينخفض الجهد السطحي للقطب السالب بشكل حاد، مما يُحفِّز سلسلة من التفاعلات السلبية. يبدأ المذيب العضوي داخل البطارية بالتحلل، مُحدِثًا تغيرات كيميائية لا رجعة فيها، مما يؤدي إلى انخفاض في أدائها، وتناقص سعتها، وزيادة مقاومتها الداخلية، ومشاكل أخرى. علاوة على ذلك، سيتضرر الغشاء أيضًا، مما يزيد من خطر حدوث قصر كهربائي داخلي. في البيئات منخفضة الحرارة، قد يُؤدي التفريغ الزائد أيضًا إلى تجمد الإلكتروليت، مما يُعيق انتقال الأيونات، ويؤدي بسهولة إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعي أثناء الشحن اللاحق، مما يُشكِّل تهديدًا لسلامة البطارية.

يتعلق الاستخدام الآمن لبطاريات الليثيوم بجميع جوانب حياتنا. ولتجنب العواقب الخطيرة للشحن الزائد والتفريغ الزائد، يجب اتخاذ تدابير فعالة. في الحياة اليومية، عند شحن الجهاز، يجب تجنب الشحن المستمر لفترة طويلة. من الأفضل استخدام شاحن الجهاز الأصلي أو شاحن مصنّع معتمد. تحتوي هذه الشواحن عادةً على أجهزة حماية من الشحن الزائد، والتي يمكنها تلقائيًا إيقاف الشحن بعد اكتمال شحن البطارية. بالنسبة للأجهزة ذات البطاريات القابلة للتبديل، يجب شحن البطارية في الوقت المناسب عندما تصل قدرة البطارية المتبقية إلى 20٪ - 30٪ لتجنب التفريغ المفرط للبطارية. وفي الوقت نفسه، يجب فحص حالة البطارية بانتظام. إذا تم اكتشاف حالات غير طبيعية مثل انتفاخ البطارية أو تسربها، يجب إيقاف استخدامها فورًا واستبدال البطارية. وبالنسبة للمعدات الكبيرة مثل المركبات الكهربائية، فإن نظام إدارة البطارية (BMS) الخاص بها بالغ الأهمية. إذ يمكنه مراقبة جهد البطارية والتيار ودرجة الحرارة وغيرها من المعلمات في الوقت الفعلي، والتحكم بدقة في عملية الشحن والتفريغ، ومنع الشحن والتفريغ المفرطين، وضمان تشغيل البطارية بأمان واستقرار.

باختصار، لا يمكن تجاهل تأثير الشحن الزائد والتفريغ الزائد على سلامة البطاريات الليثيومية. ففهم هذه المخاطر واستخدام البطاريات الليثيومية بشكل صحيح في الحياة اليومية يُعدان من الإجراءات المهمة لضمان سلامتنا. فلنبدأ من الآن، ونتعهد بحماية البطاريات، والابتعاد عن الشحن والتفريغ الزائدين، وخلق بيئة طاقة آمنة للجميع .