למה ת runaway תרמי נדיר בסוללות ליתיום-יון לצרכנים?

מקרי פריצה תרמית בסוללות לצרכנים (כגון סוללות ליתיום-יונים בטלפונים ניידים, מחשבים ניידים והתקנים אחרים) הם נדירים יחסית, בעיקר בגלל העיצוב השמרני, מנגנוני הבטיחות הכפולים, תרחישי השימוש הניתנים לשליטה והפיקוח התעשייתי החמור.

1. עיצוב טכני: אסטרטגיה שמרנית מפחיתה סיכון

• קיבולת קטנה וצפיפות אנרגיה נמוכה

מגבלות קיבולת: תאי סוללות לצרכנים הם בדרך כלל בטווח של 1000mAh עד 5000mAh (למשל, סוללות טלפון נייד, בערך 3000-5000mAh), מה שפחות משמעותית מסוללות כוח (למשל, חבילות סוללות לרכב חשמלי, שיכולות להגיע ל-50-100kWh). סוללות בקיבולת קטנה משחררות אנרגיה מוגבלת במהלך פריצת חום, ולכן פחות סביר שיגרמו להבערה אלימה או להתפוצצות גם אם תתרחש תקלה.

איזון צפיפות אנרגיה: כדי לאזן בין בטיחות לאורך חיים של הסוללה, סוללות לצרכנים משתמשות לעתים קרובות במערכת בשלמה הכוללת אנוד גרפיט וכاثוד חומצת ליתיום-קוובלת (LiCO)/טרינארי, ולא באנוד מבוסס סיליקון וכاثוד בניקל גבוה (כגון NCM811/NCA) שמבקשים צפיפות אנרגיה מקסימלית. לכاثודות LiCO יש יציבות כימית טובה יותר לעומת חומרים בניקל גבוה, מה שמצמצם את הסיכון לפריצת חום.

• אופטימיזציה מבנית ועיצוב פיזור חום

תכנון קומפקטי: למכשירי אלקטרוניקה צרכנית יש מעט מקום פנימי, והסוללות מובנות לעיתים קרובות בצורה הדוקה עם לוח האם ומודול הקירור. יצרנים משתמשים בעיצובים כגון בודדי חום מגרפן, צינורות קירור נוזליים וצינורות העברת חום כדי להאיץ את עיבور החום ולמנוע חימום מקומי. לדוגמה, טלפונים לגיימינג משתמשים בתצורת פיזור חום רב-שכבתית כדי להגן על הסוללה מפני טמפרטורות גבוהות ממושכות.

מבנה עמיד בפני פיצוץ: גוף הסוללה עשוי מחומר PC/ABS דליק, שיכול להאט את התפשטות השריפה גם אם היא תבער מבפנים; חלק מהמכשירים ממלאים אירוג'ל או חומר בשינוי פאזתי סביב הסוללה כדי לספוג חום ולבודד חמצן.

• טכנולוגיית שסתום בטיחות וקרום מגנה

שסתום בטיחות: כאשר לחץ הפנימי של הסוללה גבוה מדי (כגון בשלבים הראשונים של ריצה תרמית), שסתום הבטיחות ייקרע ויוציא גז כדי למנוע פיצוץ.

מפריד מוכתם בקרמיקה: שכבת קרמיקה מושפכת על פני שכבת הפרדה קונבנטיאלית מפוליאתילן (PE) כדי לשפר את עמידותה בטמפרטורות גבוהות. גם במקרה של קצר חשמלי מקומי, המפריד לא יתכווץ במהירות ויגרום ליצירת קשר בין האלקטרודות החיובית והשלילית, ובכך יונע תגובה כרונית של התחממות ממנהרת.

2. מנגנון אבטחה: עיצוב מוגבה עם הגנות מרובות

• שיפור מערכת ניהול הסוללה (BMS)

הגנה מפני טעינה יתר/تفريוק יתר: כאשר מתח הסוללה מתקרב ל-4.35V (סף טעינה יתר), המערכת תקטע את מעגל הטעינה; כאשר המתח נמוך יותר מ-2.5V, ימנע התפriוק כדי למנוע נזק לסוללה.

ניטור טמפרטורה: חיישן הטמפרטורה המובנה עוקב אחר טמפרטורת הסוללה בזמן אמת. כאשר הטמפרטורה עולה על 45°С, מופעל קירור (למשל הפחתת עוצמת הטעינה) או אזעקה. כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי (למשל מעל 60°С), יש ניתוק מיידי של אספקת החשמל.

הגבלת נוכחי: כאשר הזרם של פריקה גדול מדי (למשל קצר), המערכת תפעיל מנגנון퓨즈 או תגביל את עוצמת הפלט כדי למנוע חימום יתר הנובע מעומס זרם מופרז.

• אסטרטגיה שמרנית לטעינה מהירה

ה batterייה לצרכן לרוב משתמשת בטכניקת טעינה בשכבות (למשל, זרם קבוע ואז מתח קבוע), ומשתנה לטעינת דrip לאחר שהסוללה מגיעה ל-80% כדי להפחית הצטברות חום.

הגבלת עוצמת טעינה: למשל, עוצמת הטעינה המהירה של טלפונים ניידים היא בדרך כלל בין 20-100 וואט, הרבה פחות מטעינה מהירה של רכב חשמלי שPOR 150 ק"ו ומעלה, ובכך מפחיתה את הסיכון להפרעה תרמית.

• שיפור עיכוב בעירה של חומרים

הוספת תוספי עיכוב בעירה (כגון פוספטים) לאלקטרוליט כדי לעכב את תגובה השריפה;

השכבה הפוזיטיבית של החומר מצופה בשכבה אינרטית כמו אלומיניום חמצני (Al₂O₃) כדי להפחית תגובות צד עם האלקטרוליט ולצמצם ייצור חום.

3. תרחיש שימוש: סביבת בקרה ותפעול סטנדרטי

• סביבה של שימוש קליל

מכשירי אלקטרוניקה לצרכן משמשים בדרך כלל בטמפרטורת החדר (0-40° צלזיוס) ונדיר שהם נחשפים לטמפרטורות קיצוניות גבוהות (כגון בתוך רכב בשמש ישירה) או טמפרטורות נמוכות. לעומת זאת, סוללות כוח חייבות להתאים טווח טמפרטורות רחב יותר של 30- עד 60° צלזיוס, מה שמייצר סיכון גבוה יותר לריצה תרמית.

• הגבלות התנהגות טעינה

המשתמשים משתמשים בדרך כלל במטען המקורי (עם עוצמת פלט מתאימה) כדי להימנע מטעינה מופרזת או ממתח יתר;

הימנע מהטענה ממושכת בלילה: רבים מהמכשירים (כגון טלפונים ניידים) יפסיקו להטען באופן אוטומטי לאחר שהסתיימה ההטענה, ובכך יפחיתו את הזמן שבו הסוללה נשארת טעונה ב-100% (סוללה טעונה במלואה מציגה פעילות כימית גבוהה וקצת יותר סיכון של איבוד שליטה תרמית).

• הגנה פיזית מלאה

עיצוב גוף המכשיר מתוכנן עם הגנה מפני נפילות (למשל מסגרות טלפון עבות יותר ופינות מחוזקות), כדי להפחית את הסיכון ל קצר חשמלי בסוללה הנגרם всר נזק מכני.

מניעת חדירת עצמים זרים ממתכת לסוללה: בדרך כלל משתמשים לא שמים עצמים ממתכת כגון מפתחות במגע ישיר עם הסוללה, ובכך מפחיתים את הסיכוי לקצר חשמלי.

4. ניטור תעשייתי: תקנים קפדניים ואחריות

• אישור בטיחות בינלאומי

UL 1642: בודק את בטיחות הסוללה בתנאים קיצוניים כגון טעינה יתר, קצר חשמלי, לחיצה ונקב;

IEC 62133: מגדיר את דרישות הביצועים של סוללות בסביבות טמפרטורה גבוהה, טמפרטורה נמוכה, רעידה ואחרות;

GB 31241: הסטנדרט החובה של סין, המגדיר את משך הזמן של התפשטות הלהט לאחר איבוד בקרה תרמית של הסוללה (חייב להיות ≤30 שניות).

סוללות לצרכנים חייבות לעבור אישורים תקניים של UL, IEC, GB ואחרים, למשל:

• מערכת זיכוי ואחידות

אם chez סוללות של מותג מסוים חווים באופן שכיח איבוד בקרה תרמית, יתכן שהיצרן נדרש להתחיל בזיכוי (כפי שנראה במקרה של Samsung Galaxy Note 7) ולשאת באחריות משפטית. לחץ זה מאלץ חברות לשלוט באיכות בצורה קפדנית, ומבטיח עמידה בהוראות בטיחות בכל תהליך, מהאקיזה של חומרי הגלם ועד לייצור.

5. השוואת סוללות כוח: למה הסיכון לאיבוד בקרה תרמית גבוה יותר?

• קיבולת גדולה וצפיפות אנרגיה גבוהה

חבילות הסוללות החזקות מורכבות מאלפי תאים המחוברים בטור או במקביל. האנרגיה המשולבת של כל תא מגבירה את הכוח ההרסני של ריצה תרמית. לדוגמה, חבילת הסוללה של טסלה מודל 3 בעלת קיבולת של כ-75 קילוואט שעה, והאנרגיה הנפלטת במהלך ריצה תרמית שקולה ל-15 ק"ג של TNT.

• סביבה מורכבת של שימוש

רכבים חשמליים חייבים להתמודד עם אתגרים מרובים כגון טמפרטורות גבוהות ונמוכות, רעידה ותאונה. הקביעות של תאי הסוללה קשה להבטחה, וشيخوخה מקומית או נזק עלולים לעורר תגובה מסדרנית.

• טעינה מהירה ודרישות הספק גבוהות

הסוללה החזקה צריכה לתמוך בטעינה מהירה של יותר מ-150 קילוואט. טעינה ופריקה בתוספת זרם גבוהה יגרמו להפרש טמפרטורה לא אחיד בתוך תאי הסוללה, ובכך יגדילו את הסיכון לריצה תרמית.

6. בסיכום

סטיית חום היא תופעה נדירה יותר בסוללות לצרכנים, כתוצאה מעיצוב טכני שמרני, מנגנוני בטיחות כפולים, תרחישי שימוש ניתנים לשליטה, ופיקוח תעשייתי מחמיר.