כמקור הכוח המרכזי של מכשירים אלקטרוניים ורכבים חשמליים מודרניים, סוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב בסמארטפונים, כלי רכב חשמליים (EV) וכלי רכב חשמליים קלים (PLEV) כגון-קטנועים ואופניים חשמליים-. למרות היתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי מחזור ארוכים וטעינה מהירה, בריחת תרמית (TR) נותרה הסכנה הבטיחותית החמורה ביותר של סוללות ליתיום-יון. כאשר טמפרטורת הסוללה עולה על סף קריטי (בדרך כלל 150-180 מעלות), היא מפעילה מחזור חימום עצמי בלתי נשלט, משחרר כמות גדולה של חום וגזים רעילים, מה שמוביל לשריפות או אפילו לפיצוצים.
עם ההתרחשות התכופה של תאונות שריפה בסוללות PLEV, הפך דחוף במיוחד להבין לעומק את מנגנון הבריחה התרמית ולנקוט באמצעי מניעה. מאמר זה יבצע ניתוח שיטתי מהמנגנון ועד לפתרונות.
I. מאפיינים חיוניים של בריחת תרמית
בריחת תרמית היא תגובת שרשרת כימית המתרחשת כאשר קצב יצירת החום בתוך סוללת ליתיום-יון עולה על קיבולת פיזור החום שלה, עם המאפיין של תאוצה-מתקיימת עצמית עד שכל החומרים הדליקים בסוללה מתכלים. ביטויי הליבה שלה כוללים:
1. עליית טמפרטורה בלתי נשלטת
- סף טריגר: תגובות אקסותרמיות מתרחשות בין אלקטרוליט וחומרי אלקטרודה ב-150-180 מעלות.
- קצב עליית הטמפרטורה: החום המשתחרר מהתגובה יכול לגרום לטמפרטורה לנסוק מעל 1000 מעלות.
- סיכון התפשטות: טמפרטורות גבוהות עלולות לגרום להתפשטות תרמית בתאי סוללה סמוכים.
2. התפרצות גז ופריצת מעטפת
- הרכב הגזים: פירוק האלקטרוליטים מייצר גזים דליקים ורעילים כמו מימן ופחמן חד חמצני.
- הצטברות לחץ: עלייה פתאומית בלחץ הפנימי של המעטפת האטומה מובילה לקרע.
- אסונות משניים: גזים מתפרצים עלולים להתפוצץ בעת מפגש עם ניצוצות.
3. שחרור אש וגז רעיל
- מאפייני בעירה: טמפרטורת הלהבה עולה על 1000 מעלות, וחומרי הקתודה מתפרקים לשחרור חמצן התומך בעירה.
- שיטת כיבוי האש המסורתית בחנק אינה יעילה, ודורשת בקרת קירור רציפה.
- פליטות רעילות: שחרור גזים קורוזיביים כמו חומצה הידרופלואורית (HF), הפוגעת בדרכי הנשימה.
4. מנגנון התפשטות תרמי
II. ניתוח של ארבעה גורמים מעוררים לבריחה תרמית
1. התעללות מכנית
- התנגשות ופנצ'ר: כוחות חיצוניים גורמים לנזק למפריד, מה שמוביל לקצרים פנימיים (למשל, תאונות נפילה של כלי רכב חשמליים).
- עייפות רטט: רטט מתמשך גורם למיקרו-סדקים באלקטרודות, מה שמגביר את הסיכון להתחממות יתר מקומית.
- הצעות להגנה הנדסית: בתכנון המבני של מודולי סוללה, שימוש בחיבורי פס נחושת SMT-בחוזק גבוה יכול לשפר את היציבות המכנית ולהפחית את הנזק המיקרו-הנגרמת על ידי רטט.
2. שימוש לרעה בחשמל
- טעינת יתר או פריקת יתר גורמת להידרדרות של המבנה הפנימי
- Overcharging (>4.2V/תא): ציפוי ליתיום על האנודה יוצר דנדריטים שחודרים למפריד.
- יותר-פריקה (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- תקלה ב-BMS: מערכת ניהול הסוללה משתבשת ואינה יכולה למנוע מצבים חריגים.
3. התעללות תרמית
- טמפרטורת סביבה גבוהה: סוללות חשופות לסביבות מעל 60 מעלות (למשל, בתוך כלי רכב תחת אור שמש עז).
- פיזור חום לא מספיק: סוללות במודולים מוערמות בצפיפות מדי, מה שגורם להצטברות חום.
- פגמים בניהול תרמי: חוסר בתכנון נתיב פיזור חום יעיל.
4. ליקויי ייצור
- זיהומי מתכת: חלקיקי מתכת בגודל מיקרון- שנותרו בתהליך הייצור חודרים למפריד.
- פגמים במפריד: ציפוי לא אחיד מוביל לכשל בידוד מקומי.
- תאים נחותים: סוללות מזויפות חסרות שסתומי בטיחות (CID) והגנה על מקדם טמפרטורה חיובי (PTC).
Ⅲ. מערכת טכנולוגית מניעת בריחת תרמית
1. שיפורים בתכנון ניהול תרמי
- מחסומי בידוד תרמי: ציפויים קרמיים/חומרי אירוג'ל משמשים לעיכוב התפשטות תרמית.
- מערכות קירור: EVs: צינורות זרימת קירור נוזלים; PLEVs: גופי קירור משופרים + עיצוב קירור אוויר.
- אופטימיזציה מבנית: ברמת המודול, פריסה סבירה של פסי נחושת SMT מוליכות תרמית גבוהה יכולה ליצור נתיבים יעילים של פיזור חום רוחבי, ובשילוב עם חומרים לשינוי פאזה כדי לשפר את האיזון התרמי.
2. מערכת חכמה לניהול סוללות (BMS)
- ניטור משולש: זיהוי-בזמן אמת של מתח, זרם וטמפרטורה.
- הגנה אקטיבית: כיבוי- אוטומטי עבור טעינת יתר/פריקת יתר-; איזון דינמי של מתחי תאים.
- מנגנון התרעה מוקדמת: שידור אלחוטי של אותות אזעקה חריגים.
3. חומרים בטוחים באופן מהותי
השוואה בין חומרי סוללה שונים
4. אמצעי הגנה-בצד המשתמש
- מפרטי טעינה: השתמש במטענים מקוריים; הימנע מטעינת לילה; שמור על רמת טעינה בין 20%-80%.
- דרישות אחסון: סביבה קרירה ומאווררת, הרחק מחומרים דליקים.
- זיהוי חריגות: הפסק מיד להשתמש בו כאשר מתגלה בליטה או ריח מוזר.
Ⅳ. טכנולוגיות ניטור-מתקדמות
- תקנים רגולטוריים: אכיפת אישורי בטיחות כגון UL 2271 ו-IEC 62619.
- אחריות היצרן: הקמת מערכת למעקב אחר תאים; לחסל את זרימת הסוללות הנחותות.
- חדשנות טכנולוגית: קדם את טכנולוגיית מסוף ריתוך הלייזר כדי להבטיח את אמינות החיבורים החשמליים ולהפחית התחממות יתר מקומית הנגרמת על ידי התנגדות למגע.
Ⅴ.מסקנה
עם ההתפתחות המהירה של תעשיות תחבורה חשמלית ואחסון אנרגיה, מניעת בריחת סוללת ליתיום-תרמית דורשת שיתוף פעולה רב-מימדי במחקר ופיתוח חומרים, תכנון הנדסי וחינוך משתמשים. על ידי אופטימיזציה של עיצובי ניהול תרמיים (כגון תוכניות הולכת חום של פס נחושת SMT), הפקת מערכות BMS חכמות וקידום מערכות כימיות בטוחות כמו LFP, נוכל לבנות מערכת אקולוגית אמינה יותר לאחסון אנרגיה.
