لماذا تنفجر البطاريات

بطبيعة الحال ، يدرك مستخدمو الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية خطر انفجار بطاريات الليثيوم في أدواتهم. والأمثلة المذهلة لا يجب أن تذهب بعيداً. في الآونة الأخيرة ، على سبيل المثال ، واجهت Samsung مشكلة مؤلمة بشكل شخصي ، واضطرت إلى سحب السلسلة الأولى من Note 7 الجديدة ، حيث إن البطاريات قد انفجرت أثناء عملية الشحن. تظل المشكلة كما هي من البداية أو الأخرى منذ بداية ظهور الهواتف المحمولة ، بل إن الايكاو حظرت على الأطراف التجارية نقل البضائع في مقصورات البضائع المدنية في عام 2016. بطاريات الليثيوم.

جوهر المشكلة مع بطاريات الليثيوم

والحقيقة هي أنه في عملية شحن بطارية ليثيوم في جهاز محمول ، باستخدام متحكم مدمج في البطارية ، يتم تنفيذ خوارزمية معقدة إلى حد ما لتنفيذ هذه العملية بحيث لا تتجاوز درجة حرارة البطارية نطاق درجة الحرارة المقبول. تراقب وحدة التحكم لهذا الغرض العديد من معلمات البطارية أثناء الشحن.

بالإضافة إلى عملية الشحن نفسها ، يتطلب تخزين البطارية أيضًا الامتثال لقواعد معينة ، خاصة فيما يتعلق بدرجة الحرارة: لا يمكنك زيادة درجة حرارة البطارية أو تبريدها.

المشكلة الرئيسية التي تسببت في انفجار البطاريات هي التسخين الزائد للكهارل بسبب تجاوز درجة الحرارة المسموح بها أو بسبب قصر الدائرة داخل خلية البطارية. يبدأ التفاعل المتسلسل بسهولة داخل الخلية المحمومة ، لأن من السهل جدًا اشتعال الليثيوم المعدني القلوي ، ونتيجة لذلك تتفجر البطارية ، وفي أسوأ الأحوال ، تنفجر.

وعلى الرغم من وجود جهاز تحكم "يقظ" ، يمكن أن يحدث خلل في المصانع العرضية (سمك غير كافٍ للعازل بين الخلايا) ويؤدي إلى عواقب وخيمة.

بالطبع ، الصدمات ، الأعطال ، الثقوب ، الحرارة الزائدة في الشمس تشكل خطورة. حتى في حالة سقوط البطارية وضربها قليلاً ، فقد يحدث عازل في الداخل ، وقد يؤدي هذا في المستقبل إلى مشكلة مفاجئة ، حتى بدون ارتفاع درجة الحرارة بشكل واضح.

سبب الانفجار لبطاريات الليثيوم

يتم فصل أنود وكاثود بطارية ليثيوم أيون بواسطة فاصل بوليمر مسامي. يحتوي الكاثود على مادة نشطة عليه ، وغالبًا ما تستخدم أكاسيد المعادن الانتقالية ، حيث يتم تضمين أيونات الليثيوم. الأنود هو الجرافيت عادة. يستخدم المحلول العضوي لأملاح الليثيوم ككهارل.

أثناء الشحن الأول في المصنع ، يتم بناء الليثيوم في الأنود وطبقة من أشكال الإلكتروليت المتحللة على الأقطاب الكهربائية ، التي تعمل الآن كحماية ضد التفاعلات غير الضرورية ، في حين تبقى موصلة بالأيونات.

كما هو مذكور أعلاه ، تعد الدائرة الداخلية القصيرة أحد الأسباب الرئيسية لاشتعال البطارية. يمكن أن يكون سبب ماس كهربائى نفسه تلفًا ماديًا أو عيوبًا في المصنع ، مثل القطع غير المتكافئة للأقطاب أو دخول الجزيئات المعدنية بين الكاثود والأنود ، والتي تنتهك سلامة طبقة الفصل.

سبب آخر للإغلاق هو نمو سلاسل معدن الليثيوم عبر الفاصل (إذا لم يكن لدى أيونات الليثيوم في المصنع ما يكفي من الوقت للاندماج بشكل كامل في بلورة الأنود بسبب الشحن السريع للغاية أو من التبريد الزائد ، أو إذا كانت سعة المادة الفعالة الكاثود أكبر من قدرة الأنود ، مما يؤدي إلى ترسبات على الأنود ، والتي ثم ببطء ولكن ينمو بلا هوادة).

لذلك ، في حالة حدوث دائرة كهربائية قصيرة ، تبدأ درجة حرارة البطارية في الارتفاع ، وعندما تصل درجة الحرارة إلى 70-90 درجة مئوية ، يبدأ تحلل طبقة الموصل الأيوني الواقية في الأنود. يتفاعل أنود الليثيوم مع المنحل بالكهرباء ، ويتم إطلاق الهيدروكربونات القابلة للاشتعال مثل الإيثيلين والميثان والإيثان وما إلى ذلك.ولكن ما زال الوقت مبكرًا جدًا قبل الحريق ، لأنه لا يوجد كمية كافية من الأكسجين.

في الوقت نفسه ، يكون رد الفعل الطارد للحرارة قيد التشغيل وترتفع درجة الحرارة ، ويزيد الضغط داخل علبة البطارية. عند 180-200 درجة مئوية ، يبدأ تفاعل عدم التناسب عند الكاثود ، حيث يتم إطلاق الأكسجين. يحدث الاشتعال ، ترتفع درجة الحرارة بشكل حاد ، ويتحلل المنحل بالكهرباء حرارياً ، وتكون درجة الحرارة بالفعل 200-300 درجة مئوية.

أخيرًا ، إنه دور الجرافيت ، وعندما تصل درجة الحرارة إلى 660 درجة مئوية ، يبدأ الألومنيوم في المجمع الحالي في الذوبان. درجة الحرارة القصوى في هذه العملية برمتها عادة لا يكون لديها وقت يتجاوز 900 درجة مئوية ، لأن كل شيء ينتهي بسرعة بالتحلل الكامل للمكونات الداخلية للبطارية.

بالفعل هناك نجاح في إيجاد حل للمشكلة

لحل هذه المشكلة ، يمكن لمصنّعي الهواتف الذكية تشديد التنظيمات وصنع الصمامات الإضافية في الأجهزة وفي البطاريات وتعقيد وحدات التحكم ، لكن هذا سيزيد من تكلفة البطاريات وجميع المنتجات التي تأتي مع البطارية. تتنافس الشركات مع بعضها البعض ، وببساطة لا تستطيع القيام بذلك اقتصاديًا.

وفي الوقت نفسه ، يناضل فيزيائيون من جامعة ستانفورد من أجل سلامة بطاريات الليثيوم ، الذين طوروا في صيف عام 2015 آلية حماية خاصة مدمجة في البطارية بالفعل في مرحلة الإنتاج.

في الواقع ، نحن نتحدث عن نوع جديد من بطاريات الليثيوم ، التي تنطفئ تلقائيًا عندما تصل درجة حرارتها الداخلية إلى درجة خطرة (والتي تمنع العملية التي تؤدي إلى نشوب حريق لاحق) ، وبعد فترة ، وبعد التبريد ، يتم تشغيلها مرة أخرى تلقائيًا.

يدعي مؤلفو التطوير أن هذه هي أول بطارية ليثيوم يمكن إيقافها واستعادتها بشكل متكرر دون فقد خصائصها وأدائها.

تم تنفيذ التطوير لعدة سنوات بواسطة فريق من عدة أشخاص (من بينهم Zhenan Bao) ، ونتيجة لذلك ، كانت البطارية خالية من عيبين رئيسيين - انخفاض حاد في سعة البطارية بعد عدة دورات لإعادة الشحن ، والأهم من ذلك ، ميل إلى إطلاق النار والانفجار بسبب ارتفاع درجة الحرارة ( رد فعل سلسلة يتوقف تلقائيا).

جاء القرار للعلماء من مجال مختلف تماما من الفيزياء. صنعوا موازين الحرارة باستخدام جسيمات متناهية الصغر من النيكل مضمنّة في ورقة رقيقة من الجرافين والبلاستيك. وكانت هذه الحرارة غير عادية. أثناء الراحة ، كانت جزيئات النيكل على اتصال مع بعضها البعض ، أي أنه تم الحصول على موصل تيار جيد. ولكن عندما تم تسخين الورقة ، بدأ البلاستيك يتوسع قليلاً ، مما أدى إلى إضعاف الاتصال بين جزيئات النيكل الموصلة ، وزادت مقاومة الموصل بالكامل.

استخدم الباحثون من جامعة ستانفورد هذه الخاصية للحماية التلقائية الفورية لبطاريات الليثيوم وللاستعادة التلقائية الكاملة للاتصال بعد التبريد. لقد قاموا بلصق ورقة من البلاستيك على أحد أقطاب البطارية بحيث تفقد الموصلية مع زيادة درجة الحرارة. وعندما تصل درجة الحرارة إلى 70 درجة مئوية

ولكن على الرغم من الحل ، لا تزال شركات تصنيع الأجهزة المحمولة لا تجرؤ على تغيير تكنولوجيا إنتاج بطارياتها بشكل كبير والتي تم تطويرها على مدار السنوات الماضية. لذلك ، سيتعين على مستخدمي التطبيقات المصغرة التعامل مع الخطر المحتمل لبطاريات الليثيوم لبعض الوقت ، ومحاولة عدم إسقاط أجهزتهم المحمولة أو ارتفاع درجة حرارتها ، وخاصة البطاريات. ربما في المستقبل القريب سيتم حل المشكلة بالكامل.

انظر أيضا: الاستخدام السليم لبطاريات الليثيوم أيون

Comments

[#1 رسلان]

"التسخين المفرط للكهارل بسبب تجاوز درجة الحرارة المسموح بها" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.