تحليل أسباب انتفاخ غلاف البطارية وانفجارها

ما الذي يجعل غلاف البطارية منتفخاً؟

تعريف الظاهرة

أثناء الاستخدام أو التخزين، يتسبب تراكم الغاز داخل البطارية في زيادة الضغط، مما يؤدي إلى تمدد وتشوه الغلاف.

الآلية الداخلية

هذا مظهر عياني لتفاعل كيميائي غير طبيعي يحدث داخل البطارية، وهو أحد المؤشرات المهمة لفشل البطارية.

المخاطر المحتملة

وإذا لم يتم التعامل مع الأمر على الفور، فقد يؤدي ذلك إلى حوادث خطيرة تتعلق بالسلامة مثل التسرب أو الحريق أو حتى الانفجار.

سبب انتفاخ الغلاف 1: توليد الغاز الداخلي

① تحلل الإلكتروليت

في ظل ظروف مثل الشحن الزائد ودرجة الحرارة العالية، يخضع الإلكتروليت لتفاعل تحلل، مما ينتج عنه غازات مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان، وهو أحد المصادر الرئيسية للغاز.

② تمزق وإصلاح غشاء SEI

تتعرض طبقة SEI الموجودة على سطح القطب السالب للتمزق والإصلاح بشكل متكرر أثناء دورات الشحن والتفريغ. وتستهلك هذه العملية باستمرار الإلكتروليت وتنتج غازًا.

③ تفاعل الرطوبة والشوائب

يمكن أن تتفاعل الرطوبة أو الشوائب المعدنية التي تدخل أثناء عملية الإنتاج كيميائياً مع الإلكتروليت، مما ينتج غازات مثل الهيدروجين.

السبب الثاني لانتفاخ الصدفة: الاستخدام غير السليم

① الشحن الزائد والتفريغ الزائد

إن الشحن المطول الذي يؤدي إلى الشحن الزائد، أو الاستمرار في استخدام البطارية بعد استنفادها بالكامل مما يؤدي إلى التفريغ الزائد، سيؤدي إلى تفاقم التفاعلات الجانبية الداخلية وتسريع إنتاج الغاز.

② استخدام شواحن رديئة

لا تستطيع الشواحن غير الأصلية أو الرديئة التحكم بدقة في الجهد والتيار، مما يؤدي بسهولة إلى الشحن الزائد للبطارية وإتلاف عمرها.

③ البيئات ذات درجات الحرارة العالية

إن شحن البطارية أو استخدامها في بيئات ذات درجات حرارة عالية سيؤدي إلى تسريع تحلل الإلكتروليت وتلف طبقة SEI، مما يزيد بشكل كبير من معدل إنتاج الغاز.

أسباب انتفاخ البطارية 3: عيوب التصنيع والتقادم

① عيوب عملية التصنيع

يمكن أن تؤدي عيوب العملية أثناء التصنيع، مثل نتوءات الأقطاب الكهربائية، وتجاعيد الفواصل، وعدم كفاية الإحكام، إلى حدوث دوائر قصر داخلية دقيقة أو دخول الرطوبة، مما يشكل مخاطر كامنة على انتفاخ البطارية.

② تأثيرات تقادم البطارية ودرجات الحرارة العالية

مع ازدياد مدة الاستخدام، تنضب المواد الفعالة داخل البطارية، وتزداد المقاومة الداخلية، ويزداد سمك طبقة SEI، وتشتدّ التفاعلات الجانبية الداخلية. وتسرّع البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة (مثل التعرّض لأشعة الشمس المباشرة) هذه العملية، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة إنتاج الغازات وانتفاخ البطارية.

جوهر الانفجار: الهروب الحراري

①90-120 درجة مئوية: تحلل فيلم SEI

يؤدي تحلل طبقة SEI إلى إطلاق الحرارة والغاز الأوليين، مما يؤدي إلى بدء التفاعل.

② 130-180 درجة مئوية: انصهار الفاصل وقصر الدائرة

يؤدي انصهار الفاصل إلى اتصال مباشر بين الأقطاب الموجبة والسالبة، مما يؤدي إلى حدوث دارة قصر داخلية وارتفاع سريع في درجة الحرارة.

③ 150-250 درجة مئوية: تحلل القطب الموجب وإنتاج الأكسجين

تتحلل مادة القطب الموجب، مطلقة الأكسجين، الذي يتفاعل بعنف مع الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تسريع ارتفاع درجة الحرارة.

④ النتيجة النهائية: الاحتراق والانفجار

يحترق الإلكتروليت، مما يتسبب في احتراق البطارية أو حتى انفجارها، مما يؤدي إلى عواقب وخيمة.

ثلاثة شروط محفزة للهروب الحراري

① الإساءة الميكانيكية

تتعرض البطارية لتأثيرات خارجية مثل الاصطدامات أو الضغط أو الثقوب، مما يؤدي إلى تلف هيكلي داخلي ودوائر قصيرة.

② إساءة استخدام الكهرباء

تتعرض البطارية لاضطرابات كهربائية مثل الشحن الزائد أو التفريغ الزائد أو الدوائر القصيرة الخارجية، مما يتسبب في خروج التفاعلات الداخلية عن السيطرة.

③الإساءة الحرارية

تتعرض البطارية لدرجات حرارة عالية، أو يتعطل نظام التبريد، مما يتسبب في تراكم الحرارة ويؤدي إلى حدوث هروب حراري.

انتشار الهروب الحراري: تأثير الدومينو

في حزمة البطاريات، يمكن أن ينتشر الهروب الحراري من خلية واحدة بسرعة إلى خلايا أخرى، مما يخلق "تأثير الدومينو". ويحدث هذا الانتشار بشكل أساسي من خلال ثلاث آليات:

① توصيل الحرارة: تقوم الخلية ذات درجة الحرارة العالية بنقل الحرارة مباشرة إلى الخلايا المجاورة عبر المكونات المعدنية.

② الإشعاع الحراري: تقوم الخلية ذات درجة الحرارة العالية بتسخين البيئة المحيطة والخلايا الأخرى من خلال الإشعاع تحت الأحمر.

③ الحمل الحراري: يؤدي تدفق الغازات ذات درجة الحرارة العالية داخل حزمة البطارية إلى نشر الحرارة إلى مناطق أخرى.

الإجراء الوقائي الأول: تحسين المواد والتصميم

① اختيار مواد عالية الاستقرار

يفضل استخدام المواد ذات الاستقرار الحراري العالي، مثل بطاريات LFP، التي تكون درجة حرارة الهروب الحراري فيها أعلى بشكل عام من درجة حرارة بطاريات NMC، مما يقلل من خطر نشوب حريق من المصدر.

② تحسين تصميم هيكل البطارية

اعتماد هياكل وتقنيات مبتكرة لتحسين مقاومة الصدمات، وتحسين التخطيط المكاني، وتعزيز الاستقرار العام لحزمة البطارية.

③ تمت إضافة العديد من أجهزة السلامة.

يسمح صمام مدمج مقاوم للانفجار بتخفيف الضغط الاتجاهي عندما يكون الضغط مرتفعًا جدًا؛ تم تصميم جهاز الصمامات لقطع الدائرة تلقائيًا في حالة حدوث ماس كهربائي لمنع انتشار الحرارة.

الإجراء الوقائي الثاني: المراقبة الذكية والإدارة الحرارية

① نظام إدارة المباني

باعتبارها "عقل" البطارية، فإن نظام إدارة البطارية مسؤول عن مراقبة الجهد والتيار ودرجة حرارة كل خلية في الوقت الفعلي، وإجراء الموازنة النشطة، والتنبؤ بمخاطر الأعطال، وبدء التدابير الوقائية (مثل قطع الطاقة) في حالة حدوث أي خلل.

② نظام إدارة حرارية عالي الكفاءة

يستخدم التبريد السائل والتبريد الهوائي وطرق أخرى للتحكم في درجة حرارة تشغيل البطارية ضمن النطاق الأمثل (عادةً 25-40 درجة مئوية)، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعي ويمنع حدوث وانتشار الهروب الحراري.

الإجراء الوقائي الثالث: الاستخدام وفقًا للوائح

استخدم شواحن أصلية أو معتمدة وتجنب الشحن الزائد أو التفريغ الزائد.

تجنب درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة وأشعة الشمس المباشرة.

لا تقم بتفكيك البطارية أو الضغط عليها أو ثقبها.

توقف عن الاستخدام فوراً إذا لاحظت أي تشوهات مثل الانتفاخ أو ارتفاع درجة الحرارة.