لماذا تكون التفاعلات الحرارية المتسلسلة نادرة في بطاريات الليثيوم أيون الاستهلاكية؟

حوادث التصاعد الحراري في البطاريات الاستهلاكية (مثل بطاريات الليثيوم-أيون في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الأخرى) نادرة نسبيًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى التصميم الحذر، والآليات الأمنية الزائدة، وسيناريوهات الاستخدام القابلة للتحكم، والإشراف الصناعي الصارم.

التصميم التقني: تقليل المخاطر من خلال استراتيجية محافظة

• سعة صغيرة وكثافة طاقة منخفضة

قيود السعة: تتراوح سعة خلايا البطاريات الاستهلاكية عادةً بين 1000 مللي أمبير في الساعة و5000 مللي أمبير في الساعة (مثل بطاريات الهواتف المحمولة، التي تبلغ حوالي 3000-5000 مللي أمبير في الساعة)، وهي أقل بكثير مقارنة بالبطاريات الكهربائية (مثل حزم بطاريات المركبات الكهربائية، التي يمكن أن تصل إلى 50-100 كيلوواط في الساعة). تطلق البطاريات الصغيرة السعة طاقة محدودة أثناء التصعيد الحراري، مما يجعلها أقل عرضة للتسبب في اشتعال أو انفجار عنيف حتى في حالة حدوث عطل.

توازن كثافة الطاقة: لتحقيق توازن بين السلامة وعمر البطارية، غالبًا ما تستخدم البطاريات الاستهلاكية نظامًا ناضجًا يتكون من معدن الجرافيت كمصدر سالب وأكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCO)/مصدر موجب ثلاثي، بدلاً من استخدام مصدر سالب قائم على السيليكون ومصدر موجب عالي النيكل (مثل NCM811/NCA) الذي يسعى لتحقيق كثافة طاقة قصوى. توفر أقطاب LiCO الكاثودية استقرارًا كيميائيًا متفوقًا مقارنة بالمواد عالية النيكل، مما يقلل من خطر التصعيد الحراري.

• تحسين الهيكل وتصميم تبديد الحرارة

تصميم مدمج: تحتوي أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية على مساحة داخلية محدودة، وغالبًا ما تكون البطاريات مُدمجة بشكل وثيق مع اللوحة الأم ووحدة التبريد. يستخدم المصنعون تصاميم مثل مشتتات حرارة من الجرافين وأنابيب تبريد سائلية وأنابيب نقل الحرارة لتسريع توصيل الحرارة ومنع ارتفاع درجة الحرارة في مناطق معينة. على سبيل المثال، تعتمد الهواتف الخاصة بالألعاب هيكلًا متعدد الطبقات لنشر الحرارة لحماية البطارية من درجات الحرارة العالية لفترات طويلة.

هيكل مضاد للانفجار: يُصنع غلاف البطارية من مادة مقاومة للحريق مكونة من خليط البولي كربونات/الأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (PC/ABS)، والتي يمكنها إبطاء انتشار الحريق حتى في حال حدوث اشتعال داخلي؛ كما تملأ بعض الأجهزة الهلام السيليكا أو المواد المتغيرة الطور حول البطارية لامتصاص الحرارة وعزل الأكسجين.

• تقنية الصمامات الآمنة والأغشية

الصمام الآمن: عندما تصبح الضغوط الداخلية للبطارية مرتفعة جدًا (مثلما يحدث في المراحل الأولى من الانطلاق الحراري)، فإن الصمام الآمن يتمزق ويطلق الغازات لمنع الانفجار.

فاصل مطلي بالسيراميك: يتم تطبيق طبقة سيراميك على سطح فاصل البولي إيثيلين (PE) التقليدي لتحسين مقاومته للحرارة العالية. حتى في حالة حدوث قصر كهربائي موضعي، فإن الفاصل لا ينكمش بسرعة، مما يمنع التماس بين الأقطاب الموجبة والسالبة، وبالتالي يحول دون حدوث تفاعل متسلسل للانطلاق الحراري.

2. آلية الأمان: تصميم وقائي متعدد ومكرر

• تحسين نظام إدارة البطارية (BMS)

حماية من الشحن الزائد/التفريغ الزائد: عندما تقترب جهد البطارية من 4.35 فولت (حد الشحن الزائد)، يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بقطع دائرة الشحن؛ وعندما يكون الجهد أقل من 2.5 فولت، يتم منع التفريغ لتجنب تلف البطارية.

مراقبة درجة الحرارة: يستشعر مستشعر الحرارة المدمج درجة حرارة البطارية في الوقت الفعلي، وعندما تتجاوز درجة الحرارة 45°م، يتم تنشيط التبريد (مثل تقليل قدرة الشحن) أو إنذار تنبيهي، وعندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جداً (مثل تجاوز 60°م)، يتم قطع التيار الكهربائي مباشرة.

الحد الحالي: عندما يكون التيار المستنزف كبيرًا جدًا (مثل حدوث دائرة قصيرة)، فإن نظام إدارة البطارية (BMS) سيُفعّل آلية الصمام أو يحد من القدرة المخرجة لمنع ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن تحميل التيار الزائد.

• استراتيجية شحن سريع متحفظة

عادةً ما يستخدم شحن البطاريات الاستهلاكية الشحن المتدرّج (مثلًا، تيار ثابت أولاً ثم جهد ثابت)، ويتم التحوّل إلى شحن تقطيري بعد وصول طاقة البطارية إلى 80% لتقليل تراكم الحرارة.

حد قدرة الشحن: على سبيل المثال، تتراوح قدرة الشحن السريع للهواتف المحمولة عادةً بين 20-100 واط، وهي أقل بكثير من الشحن السريع للمركبات الكهربائية الذي يبلغ 150 كيلوواط فأكثر، مما يقلل من خطر الانطلاق الحراري.

• تحسين مقاومة الاشتعال للمواد

إضافة مثبطات لهب (مثل الفوسفات) إلى الإلكتروليت لقمع تفاعل الاحتراق؛

يتم طلاء سطح مادة القطب الموجب بطبقة خاملة مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) لتقليل التفاعلات الجانبية مع الإلكتروليت وتقليل توليد الحرارة.

3. حالة الاستخدام: بيئة خاضعة للتحكم وعملية قياسية

• بيئة استخدام لطيفة

عادةً ما تُستخدم أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية في درجة حرارة الغرفة (0-40°م)، ونادرًا ما تتعرض لدرجات الحرارة المرتفعة جدًا (مثل داخل سيارة مشمسة مباشرة) أو المنخفضة جدًا. بالمقابل، يجب أن تتكيف بطاريات الطاقة مع نطاق واسع من درجات الحرارة يتراوح بين -30°م إلى 60°م، مما يشكل خطرًا أعلى للتسرّب الحراري.

• مواصفات سلوك الشحن

عادةً ما يستخدم المستخدمون شاحن الأصل (ذو قدرة إخراج مطابقة) تجنبًا للشحن الزائد أو الجهد الزائد؛

تجنب الشحن المطول ليلًا: كثير من الأجهزة (مثل الهواتف المحمولة) تتوقف تلقائيًا عن الشحن بعد اكتماله، مما يقلل من الوقت الذي تظل فيه البطارية مشحونة بالكامل (والبطارية المشحونة بالكامل تكون نشطة كيميائيًا وتشكل خطرًا طفيفًا متزايدًا من الانطلاق الحراري).

• حماية فيزيائية كاملة

تم تصميم غلاف الجهاز مع مراعاة حمايته من السقوط (مثل إطارات هواتف سميكة وزوايا مدعمة) لتقليل خطر حدوث دوائر قصيرة في البطارية نتيجة للتلف الميكانيكي.

منع الأجسام المعدنية الغريبة من ثقب البطارية: عادةً لا يضع المستخدمون أجسامًا معدنية مثل المفاتيح على اتصال مباشر مع البطارية، مما يقلل من احتمالية حدوث دائرة قصيرة.

4. الإشراف الصناعي: معايير صارمة ومحاسبة

• شهادة السلامة الدولية

UL 1642: تختبر سلامة البطارية في ظروف قاسية مثل الشحن الزائد، والدوائر القصيرة، والضغط، والثقب؛

IEC 62133: تحدد متطلبات أداء البطاريات في درجات الحرارة العالية والمنخفضة والاهتزاز وغيرها من البيئات؛

GB 31241: المعيار الإلزامي في الصين، والذي يحدد مدة انتشار اللهب بعد فقدان التحكم الحراري في البطارية (يجب أن تكون ≤30 ثانية).

يجب أن تحصل البطاريات الاستهلاكية على شهادات مطابقة من UL وIEC وGB وغيرها من المعايير، على سبيل المثال:

• نظام الاسترجاع والمسؤولية

إذا كانت بطاريات علامة تجارية معينة تتعرض بشكل متكرر لفقدان التحكم الحراري، يُطلب من الشركة المصنعة بدء عملية استرجاعها (كما حدث في حادثة Samsung Galaxy Note 7) وتحمل المسؤولية القانونية. هذا الضغط يدفع الشركات إلى التحكم الصارم في الجودة، وضمان الامتثال للوائح السلامة في كل مرحلة، من شراء المواد الخام وحتى الإنتاج.

5. مقارنة بطاريات الطاقة: لماذا يكون خطر فقدان التحكم الحراري أعلى؟

• سعة كبيرة وكثافة طاقة عالية

تتكوّن حزم البطاريات الكهربائية من آلاف الخلايا المتصلة على التوالي أو التوازي. ويؤدي مجموع طاقة كل خلية إلى تضخيم القوة التدميرية للانطلاق الحراري. على سبيل المثال، فإن حزمة بطارية طراز تسلا موديل 3 لديها سعة تبلغ حوالي 75 كيلوواط في الساعة، والطاقة المنبعثة أثناء الانطلاق الحراري تعادل 15 كجم من مادة الـTNT.

• بيئة استخدام معقدة

يجب على المركبات الكهربائية التعامل مع تحديات متعددة مثل درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والاهتزاز، والاصطدام. ومن الصعب ضمان تجانس خلايا البطارية، وقد يؤدي التقادم أو التلف المحلي إلى تفجير تفاعل متسلسل.

• متطلبات الشحن السريع والقدرة العالية

يجب أن تدعم البطارية الكهربائية شحنًا سريعًا بأكثر من 150 كيلوواط. وسيتسبب الشحن والتفريغ عالي التيار في ارتفاع غير متساوٍ لدرجة الحرارة داخل خلية البطارية، مما يزيد من خطر الانطلاق الحراري.

6. في الختام

تُعد الانطلاق الحراري أقل شيوعًا في البطاريات الاستهلاكية، نتيجة لتصميم تقني متحفظ وآليات أمان متعددة واستخدامات قابلة للتحكم وإشراف صناعي دقيق.