هل بطاريات الليثيوم خطيرة؟

لقد أصبحت فكرة أن "بطاريات الليثيوم قابلة للاشتعال والانفجار" انطباعًا راسخًا لدى الكثيرين. ومع ذلك، فإن الحرارة المتولدة أثناء الاستخدام اليومي تنبع عادةً من المعالجات عالية السرعة، وهي أقل بكثير من الحد المطلوب لتحفيز الهروب الحراري. تنبع حساسيتنا المتزايدة تجاه سلامة البطاريات من حقيقة أن هذه البطاريات مدمجة بعمق في كل جانب من جوانب حياتنا، ومع ذلك لا يزال معظم الناس غير متأكدين بشأن المصادر الفعلية للمخاطر، واختلافات السلامة بين تقنيات البطاريات المختلفة، والخطوات العملية اللازمة لتجنب المخاطر حقًا.

I. من أين تأتي "قابلية الاشتعال" لبطاريات الليثيوم؟

لفهم سلامة البطارية، يجب على المرء أولاً فهم الهيكل الأساسي ومنطق التشغيل لبطاريات الليثيوم. إذا أخذنا النوع الأكثر شيوعًا - بطارية الليثيوم الثلاثية - كمثال، يتكون القلب من أربعة مكونات: الكاثود (على سبيل المثال، أكسيد النيكل والكوبالت والمنغنيز)، والأنود (عادة الجرافيت)، والكهارل العضوي، والفاصل.

مبدأ التشغيل واضح ومباشر: أثناء الشحن، تقوم أيونات الليثيوم بإلغاء الإقحام من الكاثود، وتمر عبر المنحل بالكهرباء والفاصل، ثم تُقحم في القطب الموجب؛ أثناء التفريغ، تتحرك الأيونات من القطب الموجب إلى الكاثود. تتيح هذه الحركة ذهابًا وإيابًا تخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها. يشكل تفاعل الأكسدة والاختزال المتحكم فيه الأساس لإخراج الطاقة المستقر للبطارية.
ومع ذلك، فإن هذا الأداء العالي يحمل بطبيعته مخاطر تتعلق بالسلامة.

العوامل الرئيسية المساهمة في الاحتراق
لتحقيق الجهد العالي وكثافة الطاقة العالية، تحمل المواد المختارة لبطاريات الليثيوم مخاطر كامنة:

• الشوارد العضوية شديدة الاشتعال
تستخدم بطاريات الليثيوم عادة الشوارد العضوية القائمة على الكربونات. في حين أن هذه تدعم نطاقات الجهد العالي وتضمن نقل الأيونات بكفاءة، إلا أنها قابلة للاشتعال ومتطايرة بطبيعتها، مما يشكل خطر الاحتراق عند تعرضها لدرجات حرارة عالية أو لهب مفتوح.
• تتحلل الكاثودات وتطلق الأكسجين عند درجات حرارة عالية
تتحلل مواد الكاثود الثلاثي، على وجه الخصوص، في البيئات ذات درجة الحرارة العالية وتطلق الأكسجين، وتعمل بشكل فعال كمسرع للاحتراق.
• الفواصل رقيقة وهشة
لتسهيل حركة أيونات الليثيوم السريعة ودعم الشحن السريع، يتم تصنيع فواصل البطارية لتكون رفيعة للغاية - قابلة للمقارنة بسُمك كيس بلاستيكي عادي. إنه بمثابة حاجز حاسم يفصل بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية، ويمنع حدوث دوائر قصيرة داخلية. إذا تعرضت للتلف - سواء بسبب الشيخوخة أو الثقب أو درجات الحرارة المرتفعة - فإن الأقطاب الكهربائية تتلامس بشكل مباشر، مما يؤدي إلى إطلاق فوري وعنيف للحرارة.

من بين العناصر الثلاثة المطلوبة للاحتراق - الوقود، والمادة المؤكسدة، ومصدر الإشعال - تمتلك بطاريات الليثيوم العنصرين الأولين بطبيعتها. إذا أدى ماس كهربائي داخلي أو ارتفاع درجة الحرارة المستمر إلى تحفيز العنصر الثالث، فسيتبع ذلك تفاعل متسلسل يُعرف باسم "الهروب الحراري": يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى تسريع تحلل المواد، والحرارة المنبعثة أثناء التحلل تؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة، مما يؤدي في النهاية إلى التورم أو التسرب أو حتى الحريق والانفجار.

ثانيا. اختلافات السلامة: الليثيوم الثلاثي، LFP، والحالة شبه الصلبة

هناك مجموعة واسعة من بطاريات الليثيوم في السوق، والتي تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من الهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية وحتى أنظمة تخزين الطاقة المنزلية ومحطات الطاقة الخارجية المحمولة. تُظهر البطاريات القائمة على تقنيات مختلفة ثباتًا حراريًا متأصلًا وملامح مخاطر مختلفة إلى حد كبير. لا يوجد خيار واحد "أكثر أمانًا". بل هناك حلول مصممة خصيصًا لظروف تشغيل محددة.

1. فوسفات حديد الليثيوم (LFP): ثبات حراري فائق وتحمل أعلى للخطأ

LFP معروف على نطاق واسع بثباته الحراري الفائق. تتميز مادة الكاثود الخاصة بها ببنية كيميائية مستقرة تقاوم التحلل السريع وإطلاق الحرارة عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى عتبة أعلى بكثير لتحفيز الهروب الحراري مقارنة ببطاريات الليثيوم الثلاثية. حتى عند التعرض لأضرار جسدية - مثل الثقب أو السحق - فإن احتمال إطلاق الحرارة العنيفة أو النيران المكشوفة يكون أقل. وتظهر هذه البطاريات أيضًا مرونة أكبر عند تخزينها مشحونة بالكامل أو الاحتفاظ بها في بيئات ذات درجة حرارة عالية، مما يوفر هامشًا أوسع من الأمان. عيبها الرئيسي هو ضعف الأداء في درجات الحرارة المنخفضة. يمكن أن يؤدي التفريغ المستمر للطاقة العالية في درجات حرارة دون الصفر إلى اختلال توازن الجهد، مما يستلزم نظامًا أكثر قوة لإدارة موازنة الخلايا. وبالتالي، LFP هو الخيار السائد لتخزين الطاقة، وأنظمة الطاقة المنزلية، والتطبيقات حيث تكون السلامة هي الأولوية القصوى.

2. الليثيوم الثلاثي: كثافة طاقة أعلى، والاعتماد على الحماية على مستوى النظام
تكمن مزايا بطاريات الليثيوم الثلاثية في كثافة الطاقة العالية وأداء التفريغ المستقر عند درجات حرارة منخفضة. ولأنها قادرة على تخزين المزيد من الطاقة في نفس الحجم، فإنها تستخدم على نطاق واسع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية المتطورة. ومع ذلك، فإن المفاضلة هي أن خلايا البطارية أكثر نشاطًا كيميائيًا؛ الشحن ذو درجة الحرارة العالية، والتشغيل المستمر بالحمل الكامل، والتخزين طويل الأجل عند الشحن الكامل، كلها عوامل تزيد من مخاطر توليد الحرارة وتدهورها. يعتمد أداء السلامة بشكل كبير على نظام الإدارة الحرارية المصاحب، ووحدات التحكم في درجة الحرارة، والحماية من الشحن الزائد/التفريغ الزائد. وطالما تم تطبيق هذه التدابير الوقائية، فإن السلامة أثناء الاستخدام اليومي مضمونة بالكامل؛ ومع ذلك، في غياب مثل هذه الحماية أو في حالات سوء الاستخدام، يتصاعد مستوى الخطر بسرعة أكبر من بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP).

3. الحالة شبه الصلبة: حل تطوري يوازن بين الأداء والسلامة
تعمل البطاريات شبه الصلبة، باعتبارها تقنية انتقالية بين بطاريات الليثيوم ذات الحالة السائلة والبطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل، على تقليل نسبة الإلكتروليت السائل بشكل كبير وتحسين بنية إغلاق الخلية، وبالتالي التخفيف بشكل أساسي من مخاطر تسرب الإلكتروليت واحتراقه. إنها تحتفظ بإنتاج طاقة مثير للإعجاب وأداء في درجات الحرارة المنخفضة مع معالجة عيوب السلامة في بطاريات الإلكتروليت السائل التقليدية، مما يجعلها حلاً متوازنًا يوفق بين الأداء والسلامة. وبطبيعة الحال، باعتبارها تقنية تطورية، فإنها تفرض متطلبات أكثر صرامة على عمليات التصنيع ونظام إدارة البطارية المرتبط بها (BMS)؛ فقط المنتجات المصنعة وفقًا لمعايير صارمة يمكنها توفير خصائص السلامة المتوازنة هذه.

ملاحظة تكميلية:نوعان شائعان من بطاريات الليثيوم في الإلكترونيات الاستهلاكية
تنقسم البطاريات الاستهلاكية المستخدمة في الحياة اليومية بشكل عام إلى فئتين:

بطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون).
تتميز عادةً بعبوة صلبة أسطوانية أو منشورية (على سبيل المثال، خلية 18650 الشائعة). تستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأدوات الكهربائية، فهي توفر تكنولوجيا ناضجة ودورة حياة طويلة.

بطاريات ليثيوم بوليمر (LiPo).
استخدم إلكتروليتات البوليمر والتعبئة والتغليف ذات الأكياس الناعمة، مما يسمح بأشكال رفيعة وخفيفة الوزن ومخصصة مناسبة للهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء والمنتجات الرقمية الرفيعة. إنها توفر مقاومة داخلية أقل وقدرات تفريغ متفوقة مقارنة بالخلايا التقليدية ذات القشرة الصلبة السائلة بالكهرباء، على الرغم من أن مقاومتها للثقب والسحق تظل محدودة.

ثالثا. ما عدد طبقات حماية السلامة التي تحتوي عليها بطارية الليثيوم المؤهلة؟

لا داعي للخوف من بطاريات الليثيوم؛ لقد نفذت الصناعة منذ فترة طويلة طبقات متعددة من ضمانات السلامة لمعالجة القيود المتأصلة فيها. من المواد إلى الأنظمة، ومن الخلايا الفردية إلى مجموعة البطاريات الكاملة، تعد دفاعات السلامة للمنتجات المؤهلة أقوى بكثير مما قد يتخيله الشخص العادي.

1. المستوى المادي: تخفيف المخاطر عند المصدر

كانت الجهود المبذولة لتحسين المواد مستمرة، مستهدفة ثلاث قضايا أساسية: الشوارد القابلة للاشتعال، والفواصل الهشة، ونمو التشعبات:

إضافة مثبطات اللهب الخاصة إلى المنحل بالكهرباء لرفع نقطة الوميض ومنع انتشار الحريق؛
تطبيق الطلاءات الخزفية على سطح الفاصل لتعزيز القوة الميكانيكية بشكل كبير، وبالتالي تقليل احتمال حدوث ثقوب أو فشل في درجات الحرارة المرتفعة؛
بناء طبقة مستقرة من الطور البيني بالكهرباء الصلبة (SEI) على سطح القطب لتأخير نمو تشعبات الليثيوم وتقليل خطر حدوث دوائر قصيرة داخلية أثناء ركوب الدراجات على المدى الطويل.

2. مستوى النظام: نظام إدارة المباني (BMS) باعتباره حارس سلامة البطارية
إذا كانت المواد تشكل خط الدفاع الأساسي، فإن نظام إدارة البطارية (BMS) يعمل بمثابة "حارس السلامة" في الخدمة المستمرة. فهو يراقب الجهد والتيار ودرجة الحرارة لكل سلسلة خلية في الوقت الفعلي؛ إذا تجاوزت أي معلمة حدود الأمان، فإنها تتخذ إجراءً على الفور - مثل خنق الأداء، أو الحد من التيار، أو حتى قطع الطاقة بالقوة - للقضاء على المخاطر في مهدها. من بطاريات الهواتف الذكية إلى حزم بطاريات السيارات الكهربائية، يعد نظام إدارة المباني مكونًا أساسيًا لا غنى عنه. هناك مشكلة شائعة تتعلق بالبطاريات غير ذات العلامة التجارية أو البطاريات المعدلة وهي إغفال نظام إدارة المباني المناسب أو استخدام حلول رخيصة ومنخفضة الدقة تفشل في اكتشاف الحالات الشاذة في الوقت المناسب.

ACEY-BP32-200A200Aآلة اختبار BMSيتميز بمستوى أتمتة عالٍ وسرعة اختبار سريعة ودقة اختبار عالية. يحتوي على 13 اختبار أداء بما في ذلك الشحن الزائد، واسترداد الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، واسترداد التفريغ الزائد، والتيار الزائد (تيار الشحن الزائد وتيار التفريغ الزائد)، والمقاومة الداخلية، والاستهلاك الذاتي، وحماية الدائرة القصيرة، ووقت حماية الشحن الزائد، ووقت حماية التيار الزائد، ووقت حماية التفريغ الزائد، وتيار المعادلة، وجهد المعادلة.

3. الحماية المتقدمة لبطاريات الطاقة
بالنسبة لبطاريات الطاقة وبطاريات تخزين الطاقة - التي تتميز بسعات أعلى وتعمل في ظل ظروف أكثر تعقيدًا - يتم رفع معايير الحماية بشكل أكبر:

أغلفة مادية قوية لتحمل الأضرار الناجمة عن الاصطدامات أو قوى السحق؛
أنظمة تبريد السوائل أو الهواء للتحكم بدقة في درجات حرارة تشغيل الخلية ومنع ارتفاع درجة الحرارة المستمر؛
صمامات تخفيف الضغط/المقاومة للانفجار التي تعمل على تنفيس الغاز بشكل فعال إذا ارتفع الضغط الداخلي بشكل غير طبيعي، مما يمنع الانفجارات العنيفة.
هذه التصميمات ليست مخصصة للمواقف التي يكون فيها الفشل أمرًا لا مفر منه، بل لتوفير هامش أمان واسع للسيناريوهات المتطرفة. في ظل الاستخدام العادي، قد لا تكون هناك حاجة إليها أبدًا؛ ومع ذلك، في الظروف القاسية، فهي بمثابة خط الدفاع الأخير عن السلامة.

رابعا. ماذا تفعل إذا انتفخت البطارية أو وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي؟ التعامل السليم لتجنب المخاطر الثانوية

عندما تصل البطاريات إلى نهاية عمرها الافتراضي، يعد الانتفاخ وتدهور السعة من الظواهر الطبيعية؛ ومع ذلك، فإن التعامل غير السليم يمكن أن يخلق مخاطر جديدة على السلامة.

1. لا تعبث بالبطاريات المنتفخة
السبب الرئيسي للتورم هو توليد الغاز الناتج عن تحلل الإلكتروليت، مما يؤدي إلى رفع الضغط الداخلي وزعزعة استقرار بنية البطارية. قد يعتقد الكثير من الناس، "قم فقط بإحداث ثقب لإخراج الغاز"، لكن هذا أمر خطير للغاية. يمكن أن يؤدي ثقب البطارية بسهولة إلى حدوث ماس كهربائي داخلي، مما يؤدي إلى احتراق فوري؛ بالإضافة إلى ذلك، يتفاعل المنحل بالكهرباء بسرعة ويولد الحرارة عند ملامسته للهواء. إذا اكتشفت بطارية منتفخة، فإن الإجراء الصحيح هو التوقف عن استخدامها على الفور، وعزلها في حاوية غير معدنية باردة وجيدة التهوية، ونقلها إلى منشأة معتمدة لإعادة تدوير البطاريات في أقرب وقت ممكن - لا ترميها ببساطة في سلة المهملات المنزلية.

2. التخلص السليم من نفايات البطاريات
* تصنف بطاريات الليثيوم على أنها نفايات خطرة؛ أنها تحتوي على معادن ثقيلة ومكونات كيميائية ضارة ويجب عدم التخلص منها عرضًا أو إلقاؤها في صناديق القمامة المنزلية القياسية.
* عزل الأطراف قبل التخلص منها: قم بتغطية الأطراف الموجبة والسالبة بشريط لمنع حدوث دوائر قصيرة ناجمة عن ملامسة المواد الموصلة؛ بالنسبة لحزم البطاريات متعددة الخلايا، قم بعزل الخلايا الفردية بشكل منفصل كلما أمكن ذلك.
* قم بإيداعها في صناديق إعادة تدوير البطاريات المخصصة الموجودة في المجمعات السكنية أو مراكز التسوق، أو قم بتسليمها إلى مراكز إعادة التدوير المعتمدة أو مراكز خدمة الإلكترونيات للتخلص منها بطريقة احترافية وآمنة.

خاتمة
من الهواتف المحمولة وسماعات الرأس إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المنزلية، تدعم بطاريات الليثيوم عصر الذكاء المحمول والطاقة الجديدة بأكمله. وعلى الرغم من أنها ليست مثالية - فهي تنطوي بطبيعتها على مقايضة بين الأداء والسلامة - إلا أنها أقل خطورة بكثير مما يتصوره الكثيرون. مع كل جيل من التكرار التكنولوجي، يتم دفع حدود السلامة تدريجيًا إلى أبعد من ذلك.

اليوم، تتجه بطاريات الحالة الصلبة التي تستخدم الإلكتروليتات الصلبة غير القابلة للاشتعال نحو التسويق، مما يؤدي بشكل أساسي إلى حل مشكلات القابلية للاشتعال المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة؛ وفي الوقت نفسه، تستمر أنظمة الإدارة الحرارية المتقدمة وخوارزميات نظام إدارة البطارية (BMS) الأكثر ذكاءً في تقليل النقاط العمياء المتعلقة بالسلامة.

معلومات عنا

اسي الطاقة الجديدةهي شركة تقدم المعدات المتطورة وحلول خطوط الإنتاج الكاملة المتخصصة في قطاع بطاريات الطاقة الجديدة. نحن ملتزمون بتقديم خدمات شاملة وكاملة لمصنعي البطاريات العالميين، ومعاهد الأبحاث، ومنظمات الطاقة المبتكرة، بدءًا من التطوير التجريبي وحتى الإنتاج الضخم. نحن نقدم حلول التجميع لكل من بطاريات الليثيوم أيون والبوليمر.