الهروب الحراري لبطارية الليثيوم أيون وتحليل المواد

تستخدم شركات السيارات اليوم بطاريات الليثيوم على نطاق واسع في بطاريات الطاقة، وتزداد كثافة الطاقة باستمرار، إلا أن المخاوف بشأن سلامة هذه البطاريات لا تزال قائمة، ولا يُعدّ هذا حلاً مثالياً. ويُعتبر الهروب الحراري أحد أهمّ أهداف البحث في مجال سلامة بطاريات الطاقة، ويستحقّ التركيز عليه.

لنبدأ بفهم ما هو الهروب الحراري. الهروب الحراري ظاهرة تفاعل متسلسل تُحفزها عوامل مختلفة، مما يؤدي إلى انبعاث كمية كبيرة من الحرارة والغازات الضارة من البطارية خلال فترة وجيزة، وقد يتسبب ذلك في اشتعال البطارية وانفجارها في الحالات الخطيرة. هناك أسباب عديدة لحدوث الهروب الحراري، مثل ارتفاع درجة الحرارة، والشحن الزائد، والدارة القصيرة الداخلية، والاصطدام، وغيرها. غالبًا ما يبدأ الهروب الحراري للبطارية بتحلل طبقة SEI السالبة في خلية البطارية، يليه تحلل وانصهار الغشاء، مما يؤدي إلى احتراق القطب السالب والإلكتروليت، ثم تحلل كل من القطب الموجب والإلكتروليت، مما يُحفز دارة قصيرة داخلية واسعة النطاق، ويتسبب في احتراق الإلكتروليت، الذي ينتشر بدوره إلى خلايا أخرى، مُسببًا هروبًا حراريًا خطيرًا، ومؤديًا إلى احتراق تلقائي لمجموعة البطاريات بأكملها.

يمكن تقسيم أسباب الهروب الحراري إلى أسباب داخلية وأخرى خارجية. غالباً ما تعود الأسباب الداخلية إلى حدوث دوائر قصر داخلية، بينما تعود الأسباب الخارجية إلى سوء الاستخدام الميكانيكي، أو سوء الاستخدام الكهربائي، أو سوء الاستخدام الحراري، وما إلى ذلك.

يتفاوت قصر الدائرة الداخلية، وهو اتصال مباشر بين قطبي البطارية الموجب والسالب، بشكل كبير في درجة الاتصال ورد الفعل الناتج عنه. عادةً ما يؤدي قصر الدائرة الداخلية الشديد الناتج عن سوء الاستخدام الميكانيكي والحراري إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل فوري. في المقابل، تكون حالات قصر الدائرة الداخلية التي تحدث تلقائيًا طفيفة نسبيًا، والحرارة الناتجة عنها ضئيلة جدًا لدرجة أنها لا تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل فوري. تشمل حالات قصر الدائرة الداخلية التي تحدث تلقائيًا عادةً عيوب التصنيع، وتدهور خصائص البطارية المختلفة نتيجةً لتقادمها، مثل زيادة المقاومة الداخلية، وترسبات الليثيوم المعدني الناتجة عن سوء الاستخدام المعتدل طويل الأمد، وما إلى ذلك. مع مرور الوقت، يزداد خطر حدوث قصر الدائرة الداخلية الناتج عن هذه الأسباب الداخلية تدريجيًا.

يشير التلف الميكانيكي إلى تشوه خلية بطارية الليثيوم وحزمة البطاريات تحت تأثير قوة خارجية، وإلى الإزاحة النسبية لأجزائها المختلفة. تشمل الأشكال الرئيسية لتلف الخلية الكهربائية الاصطدام والضغط والثقب. على سبيل المثال، قد يؤدي اصطدام جسم غريب بالمركبة بسرعة عالية إلى انهيار الغشاء الداخلي للبطارية، مما يتسبب بدوره في حدوث ماس كهربائي داخلها، وبالتالي اشتعالها تلقائيًا خلال فترة وجيزة.

تشمل الأضرار الكهربائية التي تلحق ببطاريات الليثيوم عادةً حدوث قصر كهربائي خارجي، وشحن زائد، وتفريغ زائد، بأشكال متعددة، والتي من المرجح أن تتطور إلى هروب حراري نتيجة الشحن الزائد. يحدث القصر الكهربائي الخارجي عندما يتصل موصلان بفرق ضغط خارج الخلية. قد ينتج القصر الكهربائي الخارجي في حزم البطاريات عن تشوه ناتج عن اصطدامات المركبات، أو غمرها في الماء، أو تلوث الموصلات، أو صدمة كهربائية أثناء الصيانة. عادةً، لا تؤدي الحرارة المنبعثة من القصر الكهربائي الخارجي إلى تسخين البطارية، على عكس ما يحدث عند ثقبها. الرابط المهم بين القصر الكهربائي الخارجي والهروب الحراري هو وصول درجة الحرارة إلى نقطة السخونة الزائدة. عندما لا يتم تبديد الحرارة المتولدة من القصر الكهربائي الخارجي بشكل جيد، ترتفع درجة حرارة البطارية، وتؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى حدوث هروب حراري. لذلك، يُعد قطع تيار القصر أو تبديد الحرارة الزائدة من الطرق الفعالة لمنع القصر الكهربائي الخارجي من إحداث المزيد من الضرر. يُعد الشحن الزائد، نظرًا لكميته الكبيرة من الطاقة، أحد أخطر الأضرار الناتجة عن سوء الاستخدام الكهربائي. يُعد توليد الحرارة والغاز من السمات الشائعة لعملية الشحن الزائد. ينتج توليد الحرارة عن الحرارة الأومية والتفاعلات الجانبية. أولاً، تنمو تفرعات الليثيوم على سطح المصعد نتيجةً لتراكم الليثيوم الزائد.