إن الهروب الحراري هو أكثر ما يخشاه مهندسو البطاريات من وضع الفشل الوحيد: فبمجرد أن تبدأ الخلية في التسخين الذاتي بشكل لا يمكن السيطرة عليه، يمكن أن يتدفق الحدث عبر حزمة البطاريات وينتج عنه حريق أو غازات سامة أو تلف شديد في المعدات أو ما هو أسوأ من ذلك. لي فيبو₄ (LFP) الكيميائية أكثر استقرارًا حراريًا بطبيعتها من العديد من تركيبات الليثيوم عالية الطاقة، ولكن "الأكثر استقرارًا" ليست "غير معرضة للخطر". يتطلب منع الهروب الحراري في التركيبات الحقيقية استراتيجية متعددة الطبقات تشمل كيمياء الخلايا وتصميمها، وبنية العبوات والتبريد، وأنظمة إدارة البطاريات، ومعايير الاختبار، والممارسات التشغيلية المنضبطة. تشرح هذه المقالة الأسباب الجذرية وإشارات الإنذار المبكر والدفاعات العملية القابلة للنشر الميداني التي يجب على المهندسين وفرق المشتريات الإصرار عليها.

كيف يبدأ الهروب الحراري - الأسباب الجذرية الشائعة

الهروب الحراري عبارة عن تفاعل متسلسل: تزيد الحرارة من معدلات التفاعل الداخلي، والتي تنتج المزيد من الحرارة، وهكذا دواليك. ويمكن أن تبدأ هذه السلسلة بعدة طرق يمكن التنبؤ بها ويمكن منعها:

• إساءة استخدام الكهرباء: يؤدي الشحن الزائد، أو الجهد الزائد المستمر، أو الدوائر القصيرة الخارجية/الداخلية إلى رفع درجة حرارة الخلية بسرعة.

• التلف الميكانيكي: قد يتسبب الثقب أو التكسير أو التشوه في حدوث ماس كهربائي داخلي.

• ارتفاع درجة الحرارة المحيطة أو درجة حرارة التشغيل: تعمل الحرارة المستمرة على تسريع التفاعلات الجانبية وإضعاف الفواصل والأقطاب الكهربائية.

• عيوب التصنيع أو التلوث: تزيد الشوائب المجهرية أو الطلاءات الرديئة أو عيوب اللحام من فرصة حدوث قصر داخلي.

إن فهم هذه المحفزات هو الخطوة الأولى نحو التخفيف من حدة المخاطر لأن لكل منها ضوابط تقنية مقابلة. تُظهر التقييمات الشاملة للمخاطر أن جميع كيميائيات الليثيوم تنطوي على مخاطر، لكن الاحتمالات والشدة تختلف حسب التصميم وتدابير التحكم.

لماذا يتصرف LiFePO₄ LiFePO↩₄ بشكل مختلف - مقارنة عملية

وتمنحه البنية البلورية والكيمياء الخاصة بـ LiFeFePO₄ درجة حرارة تحلل حراري أعلى وطاقة كيميائية مخزنة أقل لكل خلية مقارنة بالعديد من الكاثودات الغنية بالنيكل. ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن خلايا LFP تتحمل إساءة الاستخدام ودرجة الحرارة المرتفعة بشكل أفضل وتكون أقل عرضة للهروب الحراري النشط. هذه الخاصية الكيميائية تقلل - ولكنها لا تلغي - الحاجة إلى تصميم النظام واختباره بعناية. يجب على المصممين التعامل مع البولي فلوريد الفينيل منخفض الفلورة كميزة أمان يجب الاستفادة منها مع الضوابط الهندسية، وليس كرخصة لتخفيف الحماية.

الضوابط الهندسية التي تمنع تحول الخلية الواحدة إلى حزمة حرائق في حزمة واحدة

يعد منع الانتشار من خلية فاشلة واحدة إلى الخلايا المجاورة أمرًا حيويًا. وتشمل التدابير التقنية الرئيسية ما يلي:

• أنظمة إدارة البطارية القوية (BMS): يجب أن يوفر نظام إدارة نظم إدارة المباني مراقبة الجهد ودرجة الحرارة لكل خلية، والموازنة النشطة، ومنطق قطع التيار الكهربائي عالي الموثوقية. بالنسبة لأنظمة الأساطيل والأنظمة الثابتة، يعد القياس عن بُعد لنظام إدارة المباني الذي يبلغ عن اتجاهات الحالة الصحية أمرًا ضروريًا لاكتشاف التدهور التدريجي قبل فشل الخلية.

• الإدارة الحرارية والتجزئة الحرارية: تمنع مسارات التوصيل الفعالة، والحواجز الحرارية بين الوحدات، والتبريد المستهدف من رفع الحرارة المحلية لدرجات حرارة الخلايا المجاورة. وتستخدم العبوات المتقدمة ألواح نشر الحرارة أو مواد تغيير الطور أو التبريد السائل للتطبيقات عالية الطاقة.

• تصميم ميكانيكي وفصل ميكانيكي: تقلل الحوامل الممتصة للصدمات، والحاويات الصلبة، وتباعد الخلايا من فرصة حدوث إهانة ميكانيكية وانتشار بطيء في حالة حدوث انفلات للخلية.

• مراقبة جودة التصنيع: تقلل إمكانية تتبع سلسلة التوريد، وممارسات التجميع في الغرف النظيفة، وعمليات اللحام/الطلاء المتسقة بشكل كبير من حدوث العيوب الكامنة التي يمكن أن تؤدي إلى حدوث قصور داخلي.

الممارسات التشغيلية التي تقلل من المخاطر بشكل كبير

الضوابط في الميدان لا تقل أهمية عن الخيارات الهندسية:

• أجهزة الشحن الصحيحة وملفات تعريف الشحن الصحيحة: استخدم شواحن مطابقة لنافذة LFP CC-CV ولا تتجاوز أبدًا الفولتية الموصى بها لكل خلية؛ فأحداث الجهد الزائد هي البادئ الشائع للفشل.

• الإجراءات التي تراعي درجة الحرارة: تجنب الشحن أو التفريغ خارج نوافذ درجة الحرارة المحددة من قبل الشركة المصنعة وتوفير التهوية أو التبريد حيث تعمل المعدات في البيئات الحارة.

• القياس الروتيني عن بُعد والاتجاهات: تسمح المراجعة المنتظمة لسجلات نظام إدارة المباني لتحديد ارتفاع المقاومة الداخلية أو اختلال توازن الخلية أو قبول الشحن غير الطبيعي بالتدخل المجدول قبل وقت طويل من الخطر.

• قواعد التخزين والنقل: تخزين العبوات في حالة شحن متوسطة، في ظروف باردة وجافة؛ اتباع قواعد الشحن المصممة لتقليل الإجهاد الميكانيكي والحراري.

المعايير والاختبار والاعتماد - ما الذي يجب طلبه من الموردين

توجد معايير لأن الاختبارات الخاضعة للرقابة تكشف عن نقاط ضعف قد لا تكشف عنها التجربة الميدانية. تتطلب بروتوكولات الاعتماد الحديثة اختبارات الفشل القسري واختبارات الانتشار بحيث لا يجب أن يؤدي فشل خلية واحدة إلى احتراق العبوة. يجب على فرق المشتريات أن تطلب أدلة اختبار مستقلة (على سبيل المثال، الامتثال لمعايير UL أو IEC ذات الصلة) وأن تطلب الاطلاع على بروتوكولات الاختبار المستخدمة لإنتاج أي مطالبات. تعتبر عمليات التحقق من الجهات الخارجية هذه من بين أكثر الإشارات المقنعة التي يمكن أن يقدمها البائع بأن عبواته مصممة لاحتواء الأعطال الداخلية والنجاة منها.

الاستجابة للحادث - الخطوات العملية في حالة ارتفاع درجة حرارة الخلية

على الرغم من بذل أفضل الجهود، يمكن أن تفشل الخلية. قم بإعداد خطة طوارئ تغطي الكشف والعزل والتخلص الآمن:

1. العزل الفوري: قطع دوائر الشحن والتفريغ عن طريق فصل نظام إدارة المباني أو العزل اليدوي.

2. الإخلاء والتهوية: إعطاء الأولوية لسلامة الأفراد وتنفيس المنطقة لتفريق الغازات السامة.

3. الإخماد والتبريد: السماح للطاقة الحرارية بالتبدد بأمان؛ في معظم الحالات، لا تحاول تبريد البطارية المحترقة أو ثقبها بقوة.

4. الطب الشرعي والاستبدال: بعد وقوع الحدث، والتقاط سجلات نظام إدارة المباني والأدلة المادية لتحديد السبب الجذري والإبلاغ عن الإجراءات التصحيحية.

إن وجود إجراء موثق ومتمرس للحوادث يقلل من الذعر ويسرّع عملية التعافي مع حماية الأشخاص والأصول.

قائمة التحقق من المشتريات لأنظمة LFP منخفضة المخاطر (مرجع سريع)

• تتطلب القياس عن بُعد لكل خلية وموازنة نظام إدارة المباني مع التسجيل عن بُعد.

• المطالبة بإجراء اختبارات انتشار وسلامة مستقلة بموجب معايير معترف بها.

• فحص سجلات ضمان جودة التصنيع وإمكانية التتبع.

• التحقق من توافق الشاحن وتوفير بنية تحتية للشحن مصنفة حسب درجة الحرارة.

• تحديد تدابير الاحتواء الميكانيكي والحراري في تصميم العبوة.

تعمل هذه المتطلبات على تحويل ميزة السلامة في الكيمياء إلى موثوقية نظام يمكن التنبؤ به وتدقيقه.

فكرة أخيرة - الجمع بين الكيمياء والانضباط

يوفر LiFePO₄ هامش أمان ذي مغزى مقارنة بالعديد من كيميائيات الليثيوم، ولكن السلامة في العالم الحقيقي تأتي من هندسة الأنظمة: الكيمياء، ونظام إدارة المباني، والتصميم الحراري، وانضباط التصنيع، والضوابط التشغيلية التي تعمل معًا. إن المؤسسات التي تتعامل مع سلامة البطارية كبرنامج - وليس كمنتج - هي التي تقضي على مخاطر الهرب الحراري عملياً. أصر على البيانات الشفافة، والاختبارات المستقلة، والقياس عن بُعد لنظام إدارة المباني، من مورديك، بحيث يصبح الحدث النادر مشكلة هندسية يمكن التحكم فيها بدلاً من أن يصبح أزمة.