چرا خرابی حرارتی در باتری‌های لیتیوم-یون مصرف‌کننده نادر است؟

حوادث فرار حرارتی در باتری‌های مصرف‌کننده (مانند باتری‌های لیتیوم-یون در تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و سایر دستگاه‌ها) نسبتاً نادر هستند که عمدتاً به دلیل طراحی محافظه‌کارانه، مکانیسم‌های ایمنی اضافی، سناریوهای استفاده قابل کنترل و نظارت دقیق صنعتی است.

۱. طراحی فنی: استراتژی محافظه‌کارانه کاهش ریسک

• ظرفیت کم و چگالی انرژی پایین

محدودیت ظرفیت: سلول‌های باتری مصرف‌کننده معمولاً دارای ظرفیتی بین ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت هستند (به عنوان مثال باتری‌های تلفن همراه، حدود ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت)، که به‌مراتب پایین‌تر از باتری‌های قدرتی (مانند بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی که می‌توانند به ۵۰ تا ۱۰۰ کیلووات‌ساعت برسند) است. باتری‌های کوچک ظرفیت در هنگام گسترش حرارتی انرژی محدودی آزاد می‌کنند و حتی در صورت خرابی نیز کمتر احتمال دارد باعث احتراق شدید یا انفجار شوند.

تعادل چگالی انرژی: برای تعادل بین ایمنی و عمر باتری، باتری‌های مصرف‌کننده اغلب از سیستمی بالغ شامل آند گرافیتی و کاتد لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2) یا کاتد سه‌جزئی استفاده می‌کنند، نه از آند مبتنی بر سیلیکون و کاتد نیکل بالا (مانند NCM811/NCA) که به دنبال حداکثر چگالی انرژی هستند. کاتدهای LiCo از پایداری شیمیایی بالاتری نسبت به مواد نیکل بالا برخوردارند و خطر گسترش حرارتی را کاهش می‌دهند.

• بهینه‌سازی ساختاری و طراحی پراکندگی حرارت

طرح کوچک: دستگاه‌های الکترونیکی مصرف‌کننده فضای داخلی محدودی دارند و باتری‌ها اغلب به‌صورت تنگاتنگ با برد اصلی و ماژول خنک‌کننده ادغام شده‌اند. سازندگان از طرح‌هایی مانند هیت سینک گرافنی، لوله‌های خنک‌کننده مایع و لوله‌های حرارتی برای تسریع در هدایت گرما و جلوگیری از گرمایش محلی استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، گوشی‌های گیمینگ از ساختار چندلایه برای پراکندگی گرما استفاده می‌کنند تا باتری را از دمای بالا در طولانی‌مدت محافظت کنند.

ساختار ضدانفجار: پوسته باتری از ماده PC/ABS ضد حریق ساخته شده است که حتی در صورت احتراق داخلی نیز می‌تواند گسترش آتش را کند کند؛ برخی دستگاه‌ها از ائروجل یا مواد تغییر فاز اطراف باتری استفاده می‌کنند تا گرما را جذب کرده و اکسیژن را جدا کنند.

• فناوری شیر ایمنی و دیافراگم

شیر ایمنی: هنگامی که فشار داخلی باتری بیش از حد زیاد شود (مانند مراحل اولیه فرار حرارتی)، شیر ایمنی پاره شده و گاز را خارج می‌کند تا از انفجار جلوگیری شود.

جداکننده پوشش‌دار سرامیکی: یک لایه سرامیکی روی سطح جداکننده متداول پلی‌اتیلن (PE) اعمال می‌شود تا مقاومت آن در برابر دمای بالا بهبود یابد. حتی در صورت ایجاد اتصال کوتاه محلی، جداکننده به سرعت منقبض نمی‌شود و از تماس الکترودهای مثبت و منفی جلوگیری می‌کند؛ بدین ترتیب واکنش زنجیره‌ای حرارتی خارج از کنترل (ترمال ران‌اوا) جلوگیری می‌شود.

2. مکانیسم ایمنی: طراحی افزونه چندگانه

• بهینه‌سازی سیستم مدیریت باتری (BMS)

حفاظت در برابر شارژ بیش از حد/تفریق بیش از حد: هنگامی که ولتاژ باتری به 4.35V نزدیک شود (آستانه شارژ بیش از حد)، سیستم BMS مدار شارژ را قطع می‌کند؛ هنگامی که ولتاژ پایین‌تر از 2.5V باشد، تفریق ممنوع اعلام می‌شود تا از آسیب دیدن باتری جلوگیری شود.

پایش دما: سنسور دمای داخلی به‌صورت بلادرنگ دمای باتری را پایش می‌کند. هنگامی که دما از 45°C فراتر رود، خنک‌کنندگی (مانند کاهش توان شارژ) یا هشدار فعال می‌شود. هنگامی که دما بیش از حد بالا باشد (مثلاً بالاتر از 60°C)، تغذیه برق به‌طور مستقیم قطع می‌شود.

محدودیت فعلی: هنگامی که جریان تخلیه بسیار زیاد باشد (مانند اتصال کوتاه)، سیستم BMS مکانیسم فیوز را فعال می‌کند یا توان خروجی را محدود می‌کند تا از گرمایش ناشی از بارگذاری بیش از حد جریان جلوگیری شود.

• استراتژی شارژ سریع محافظه‌کارانه

شارژ سریع باتری مصرف‌کننده معمولاً از روش شارژ قطعه‌قطعه استفاده می‌کند (مانند ابتدا جریان ثابت و سپس ولتاژ ثابت) و پس از رسیدن به ۸۰٪ ظرفیت باتری، به شارژ ترشو تغییر می‌کند تا انباشت حرارت کاهش یابد.

محدودیت توان شارژ: به عنوان مثال، توان شارژ سریع تلفن‌های همراه بیشتر در محدوده ۲۰ تا ۱۰۰ وات است که بسیار پایین‌تر از شارژ سریع ۱۵۰ کیلووات و بالاتر خودروهای الکتریکی است و این امر خطر دمایش گرمازدگی را کاهش می‌دهد.

• افزایش مقاومت در برابر آتش‌سوزی مواد

افزودن افزودنی‌های ضد حریق (مانند فسفات‌ها) به الکترولیت برای بازداری از واکنش احتراق؛

سطح ماده الکترود مثبت با لایه‌ای بی‌اثر مانند اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) پوشش داده شده است تا واکنش‌های جانبی با الکترولیت کاهش یابد و تولید گرما کم شود.

3. سناریوی استفاده: محیط کنترل‌شده و عملیات استاندارد

• محیط استفاده ملایم

دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی معمولاً در دمای اتاق (0 تا 40 درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شوند و به ندرت در معرض دمای بسیار بالا (مانند داخل ماشین در معرض نور مستقیم خورشید) یا دمای پایین قرار می‌گیرند. در مقابل، باتری‌های قدرتی باید با محدوده دمایی وسیعی از 30- تا 60 درجه سانتی‌گراد سازگار شوند که این امر خطر رخداد حرارتی ناکنترل را افزایش می‌دهد.

• مشخصات رفتار شارژ

کاربران معمولاً از شارژر اصلی (با توان خروجی متناسب) استفاده می‌کنند تا از شارژ بیش از حد یا ولتاژ بیش از حد جلوگیری شود.

از شارژ طولانی مدت در شب خودداری کنید: بسیاری از دستگاه‌ها (مانند تلفن همراه) پس از شارژ کامل به‌صورت خودکار شارژ را متوقف می‌کنند و این امر زمان باقی‌ماندن باتری در حالت کاملاً شارژ شده را کاهش می‌دهد (باتری کاملاً شارژ شده دارای فعالیت شیمیایی بالا و خطر جزئی افزایش یافته ناپایداری حرارتی است).

• حفاظت فیزیکی کامل

حباب دستگاه با در نظر گرفتن محافظت در برابر افتادن طراحی شده است (به عنوان مثال قاب‌های ضخیم‌تر تلفن و گوشه‌های تقویت‌شده) تا از احتمال اتصال کوتاه باتری ناشی از آسیب مکانیکی کاسته شود.

جلوگیری از نفوذ اجسام خارجی فلزی به داخل باتری: معمولاً کاربران اجسام فلزی مانند کلیدها را مستقیماً با باتری تماس نمی‌دهند که این امر احتمال ایجاد اتصال کوتاه را کاهش می‌دهد.

4. نظارت صنعتی: استانداردهای سختگیرانه و پاسخگویی

• گواهی ایمنی بین‌المللی

UL 1642: ایمنی باتری را در شرایط حدی مانند شارژ بیش از حد، اتصال کوتاه، فشار و نفوذ تست می‌کند;

IEC 62133: الزامات عملکرد باتری‌ها را در دمای بالا، دمای پایین، لرزش و سایر محیط‌ها مشخص می‌کند؛

GB 31241: استاندارد اجباری چین که زمان گسترش شعله پس از خروج حرارتی باتری را مشخص می‌کند (باید ≤۳۰ ثانیه باشد).

باتری‌های مصرفی باید گواهی‌نامه‌های استاندارد UL، IEC، GB و سایر استانداردها را بگذرانند، به عنوان مثال:

• سیستم فراخوان و مسئولیت

اگر باتری یک برند خاص به طور مکرر دچار خروج حرارتی شود، تولیدکننده موظف است فراخوان انجام دهد (مانند حادثه سامسونگ گلکسی نوت 7) و مسئولیت قانونی را بپذیرد. این فشار موجب می‌شود شرکت‌ها کیفیت را به دقت کنترل کنند و از انطباق با مقررات ایمنی در تمام مراحل، از جمله تهیه مواد اولیه تا تولید، اطمینان حاصل کنند.

5. مقایسه باتری‌های قدرتی: چرا خطر خروج حرارتی بیشتر است؟

• ظرفیت بالا و چگالی انرژی زیاد

بسته‌های باتری قدرت از هزاران سلول تشکیل شده‌اند که به صورت سری یا موازی به هم متصل شده‌اند. انرژی تجمیعی هر سلول، قدرت مخرب دمای خارج از کنترل (ترمال ران‌وا) را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، بسته باتری تسلا مدل ۳ ظرفیتی حدود ۷۵ کیلووات‌ساعت دارد و انرژی آزاد شده در حین ترمال ران‌وا معادل ۱۵ کیلوگرم تی‌ان‌تی است.

• محیط استفاده پیچیده

وسایل نقلیه الکتریکی با چالش‌های متعددی مانند دمای بالا و پایین، لرزش و برخورد مواجه هستند. حفظ یکنواختی سلول‌های باتری دشوار است و فرسودگی یا آسیب محلی می‌تواند واکنش زنجیره‌ای را ایجاد کند.

• شارژ سریع و نیازهای توان بالا

باتری قدرت باید قادر به پشتیبانی از شارژ سریع بیش از ۱۵۰ کیلووات باشد. شارژ و دشارژ با جریان بالا باعث ایجاد دمای نامتعادل درون سلول باتری می‌شود و خطر دمای خارج از کنترل را افزایش می‌دهد.

۶. در نتیجه

خروج حرارتی کمتر در باتری‌های مصرفی اتفاق می‌افتد، که نتیجه طراحی فنی محافظه‌کارانه، مکانیسم‌های ایمنی اضافی، سناریوهای قابل کنترل استفاده و نظارت دقیق صنعتی است.