الوجبات السريعة الرئيسية:
- الانتشار والتشغيل: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع نظرًا لكثافة الطاقة العالية وعدم وجود تأثير على الذاكرة. وهي تعمل من خلال الحركة العكسية لأيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود.
- أسباب الفشل: تشمل الأسباب الشائعة لفشل البطارية تبخر الإلكتروليت العضوي، وذوبان الفاصل، وإطلاق الأكسجين، والشحن غير المنضبط، والشحن السريع في درجات حرارة منخفضة، والتفريغ الكامل، وعيوب التصنيع.
- استراتيجيات الوقاية: يتطلب ضمان طول عمر البطارية استخدام خلايا عالية الجودة، وتصميم فعال لحزمة البطارية، ونظام موثوق لإدارة البطارية (BMS).
- أهمية وميزات نظام إدارة المباني: يعد نظام إدارة المباني أمرًا بالغ الأهمية لمراقبة الجهد ودرجة الحرارة وتوازن الخلايا. يجب أن يتوافق مع معايير السلامة مثل UL 1642 وIEC 62133 للخلايا، وUL 991 أو UL 1998 لبرنامج BMS.
بطاريات ليثيوم أيون موجودة في كل مكان حولنا، وتعمل على تشغيل هواتفنا الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة.
في هذا المقال، سنستكشف أساسيات هذه البطاريات، بما في ذلك كيفية عملها وفوائدها وأسباب الفشل الشائعة وطرق الوقاية.
لماذا نستخدم بطاريات الليثيوم أيون؟
أصبحت بطاريات الليثيوم أيون شائعة بسبب كثافتها العالية للطاقة. إنها متفوقة على بطاريات الرصاص الحمضية والنيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل من حيث الحجم وكثافة الطاقة القائمة على الكتلة.
أدى التحول من بطاريات النيكل والكادميوم إلى بطاريات هيدريد معدن النيكل إلى الاستخدام الواسع النطاق لبطاريات الليثيوم أيون. لا توفر هذه البطاريات أعلى كثافة للطاقة فحسب، بل ليس لها أي تأثير على الذاكرة. وهذا يعني أن قدرتها لا تتأثر بالشحن أو التفريغ الكامل أو الجزئي.
علاوة على ذلك، تتميز بطاريات الليثيوم أيون بسمية منخفضة. خصوصا بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد- لا تحتوي على معادن ثقيلة مثل الكوبالت. كما أنها تتمتع بعمر أطول من الكيمياء البديلة، مما يضمن الموثوقية في التطبيقات المختلفة.
كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون؟
لفهم مخاوف السلامة المحيطة ببطاريات الليثيوم أيون، من المهم فهم كيفية عملها. مثل أي خلية كهروكيميائية، تتكون بطارية الليثيوم أيون من الكاثود والأنود. يحتوي الكاثود عادةً على ملح الليثيوم، مثل أكسيد الليثيوم أو فوسفات الليثيوم، بينما يتكون الأنود عادةً من الجرافيت.
عندما تقوم بشحن بطارية ليثيوم أيون، تنتقل أيونات الليثيوم (الممثلة بنقاط سوداء) من ملح أكسيد الليثيوم إلى أنود الجرافيت. هذه الحركة، المعروفة باسم الإقحام، لا تنطوي على تفاعل مباشر بين الأيونات والإلكترونات. وبدلا من ذلك، تتدفق الإلكترونات من الكاثود إلى القطب الموجب، حيث تتفاعل مع الكربون الموجود في الجرافيت.
ومن الجدير بالذكر أنه على عكس بطاريات الليثيوم المعدنية، وهي غير قابلة لإعادة الشحن، تسمح بطاريات الليثيوم أيون بالتبادل العكسي لأيونات الليثيوم. منح هذا الابتكار المذهل جون جوديناف وستان وينينجهام جائزة نوبل في الكيمياء. تخضع أيونات الليثيوم للانتشار من خلال سائل إلكتروليت عضوي، مما يتيح حركتها ذهابًا وإيابًا بين الأنود والكاثود.
في الجزء التالي، سوف نتعمق أكثر في الإلكتروليت العضوي ووظيفته في المساعدة على التشغيل السلس لبطاريات الليثيوم أيون.
LCO، LMO، NCA
لنبدأ بمناقشة الكاثود وأملاح الليثيوم المستخدمة عادةً في بطاريات أيونات الليثيوم. أول ما سندرسه هو أكسيد كوبالت الليثيوم، وهو منتشر على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأدوات الكهربائية، والهواتف المحمولة. عندما تفرغ البطارية، ينفصل الليثيوم عن أكسيد كوبالت الليثيوم، ويطلق إلكترونًا ينتقل عبر الشاحن إلى القطب الموجب. يترك هذا الإجراء أكسيد الكوبالت على الكاثود.
ملح آخر يستخدم كمادة الكاثود هو أكسيد المنغنيز الليثيوم. تم استخدام هذا النوع من الكاثود في نيسان ليف ويمكن العثور عليه أيضًا في موديلات تيسلا المختلفة مثل موديل S، وموديل 3، وموديل X.
وأخيرًا، لدينا أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم، الذي يوفر أعلى سعة طاقة لكل كتلة وحجم.
أسباب فشل بطارية ليثيوم أيون
من أجل منع فشل بطارية Li-ion، من المهم أن تكون على دراية بالعوامل التي يمكن أن تؤدي إلى مثل هذه المشكلات. دعونا نلقي نظرة فاحصة على بعض الأسباب الشائعة.
تبخر المنحل بالكهرباء العضوية
إذا أصبحت بطارية Li-ion ساخنة جدًا، فقد يتبخر المنحل بالكهرباء العضوي الموجود بداخلها. يؤدي هذا التبخر إلى زيادة الضغط ودرجة الحرارة داخل الخلية. ونتيجة لذلك، قد تنتفخ البطارية، مما يشير إلى وجود ظروف خطيرة.
ذوبان الفاصل
تستخدم بطاريات Li-ion عادةً فاصلًا مصنوعًا من البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين. عند تعرضه لدرجات حرارة حوالي 80 درجة مئوية (170-180 درجة فهرنهايت)، يمكن أن يذوب هذا الفاصل. يسمح ذوبان الفاصل بالتلامس بين الأنود والكاثود، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي وتوليد حرارة إضافية.
إطلاق الأكسجين والتفاعلات غير المنضبطة
عندما تصل بطارية ليثيوم أيون إلى درجات حرارة عالية، يمكن إطلاق الأكسجين الموجود في مواد الكاثود مثل أكسيد كوبالت الليثيوم أو أكسيد منغنيز الليثيوم أو أكسيد ألومنيوم كوبالت نيكل الليثيوم. يمكن أن يتفاعل هذا الأكسجين المنطلق مع الإلكتروليت المتبخر، مما يسبب تفاعلات كيميائية غير منضبطة. يؤدي قصر الدائرة الكهربائية المستمر إلى تفاقم الوضع، مما يجعل من الضروري معالجته على الفور.
تهمة غير المنضبط
يمكن أن يؤدي الشحن الزائد للبطارية أو تعريضها لشحن غير منضبط إلى تكوين معدن الليثيوم على القطب الموجب. تتحد الإلكترونات الزائدة مع أيونات الليثيوم لتشكل التشعبات التي تنمو عبر المنحل بالكهرباء وداخل الكاثود. يمكن لهذه التشعبات أن تخلق دوائر كهربائية قصيرة داخلية، مما يشكل مخاطر جسيمة.
الشحن السريع ودرجات الحرارة المنخفضة
يمكن أن يؤدي شحن البطارية بتيارات عالية جدًا أو درجات حرارة منخفضة إلى إعاقة حركة أيونات الليثيوم داخل القطب الموجب. ونتيجة لذلك، قد تتراكم فائض من الإلكترونات على الأنود، مما يسبب طلاء معدن الليثيوم ودوائر قصيرة داخلية محتملة.
التفريغ الكامل
تجنب تفريغ خلية أيون الليثيوم بالكامل. يمكن أن يؤدي الإفراط في التفريغ إلى ذوبان مجمع النحاس الموجود على الأنود في المنحل بالكهرباء. عند إعادة الشحن، قد يتم إصلاح النحاس، ولكن ليس في هيكله الأصلي الذي يشبه الرقائق. يمكن أن يؤدي ذلك إلى طلاء النحاس ويؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي.
ضعف إنتاج الخلايا والتلوث
يمكن أن تحدث أعطال بطارية Li-ion أيضًا بسبب عيوب الإنتاج أو وجود شوائب أثناء التصنيع. يمكن أن تؤدي هذه الشوائب إلى إدخال ملوثات أو جسيمات إلى البطارية، مما يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة داخلية أو تفاعلات غير مرغوب فيها تعمل على تسريع تدهور السعة.
من خلال فهم ومعالجة أسباب فشل بطارية Li-ion، يمكننا العمل على تعزيز سلامة البطارية وموثوقيتها وطول عمرها في مختلف التطبيقات.
منع فشل البطارية
يعد منع المشكلات في صناعة البطاريات أمرًا بالغ الأهمية لاستمرار نموها ونجاحها. هناك ثلاث خطوات رئيسية يمكن اتخاذها لتقليل حدوث المشكلات بشكل فعال.
أولاً وقبل كل شيء، يعد ضمان جودة خلايا البطارية أمرًا في غاية الأهمية. ومع التوسع السريع لهذه الصناعة، ظهرت العديد من مرافق تصنيع الخلايا، وخاصة في الصين. ومن الأهمية بمكان أن يتم اختيار الخلايا عالية الجودة بعناية من الشركات المصنعة ذات السمعة الطيبة. تتميز بعض المرافق بعمليات آلية عالية التقنية، في حين أن البعض الآخر قد لا يستوفي نفس المعايير. يؤثر اختيار جودة الخلية بشكل مباشر على الأداء العام والموثوقية.
ويلعب تصميم حزمة البطارية أيضًا دورًا حيويًا في منع وقوع الحوادث. تتكون حزم البطاريات من خلايا متعددة مرتبة في تكوينات متسلسلة ومتوازية، مما يؤدي إلى إنشاء الجهد الكهربي والسعة الحالية المطلوبة. عند تصميم العبوة، من الضروري مراعاة تبديد الحرارة الفعال في حالة وقوع أحداث غير متوقعة. يعد فهم كيفية استجابة العبوة لمشكلات الخلية المحتملة أمرًا حيويًا للحفاظ على السلامة. علاوة على ذلك، إذا كان النظام يتطلب توصيل كميات كبيرة من التيار، فإن ضمان التوزيع الفعال من خلال جهات الاتصال ولوحات الدوائر الموثوقة يصبح أمرًا بالغ الأهمية.
جوهر كل ذلك هو نظام إدارة البطارية (BMS). يعمل هذا الجهاز كحارس للبطارية، حيث يقوم بمراقبة الفولتية والتيارات ودرجات الحرارة بشكل مستمر لضمان عمل الخلايا ضمن حدود آمنة. في أي حزمة بطارية ليثيوم أيون، يعد وجود نظام BMS متكامل أو خارجي أمرًا بالغ الأهمية لحماية الخلايا. لا يضمن نظام إدارة المباني السلامة فحسب، بل يعزز أيضًا عمر البطاريات. وبالنظر إلى أن بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن تدوم أكثر من أجهزة التخزين التقليدية بهامش كبير، يصبح من الضروري إعطاء الأولوية لحمايتها للاستخدام على المدى الطويل.
يتطلب منع المشكلات في صناعة البطاريات الاهتمام الدقيق بجودة الخلية وتصميم العبوة وتنفيذ نظام موثوق لإدارة البطارية. وتساهم هذه التدابير الجماعية في تحقيق السلامة العامة ومتانة بطاريات الليثيوم أيون، مما يمكّن الصناعة من الازدهار مع تقليل المخاطر المحتملة.
أهمية أنظمة إدارة البطارية
يلعب نظام إدارة البطارية (BMS) دورًا حاسمًا في مراقبة والتحكم في الفولتية والتيارات ودرجات حرارة البطارية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في التأكد من أن البطارية تعمل ضمن الحدود الآمنة. إذا اكتشف نظام إدارة المباني أي خلل أو تجاوز حدود الخلايا، فسيكون لديه القدرة على مقاطعة عملية الشحن أو التفريغ.
بعبارات أبسط، يراقب نظام إدارة المباني (BMS) العلامات الحيوية للبطارية. فهو يتحقق باستمرار من مستويات الجهد وتدفق التيار ودرجة الحرارة للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح. إذا اكتشف أي مشكلات، مثل الحرارة الزائدة أو الجهد الكهربي غير المنتظم، فيمكنه اتخاذ إجراء لحماية البطارية.
إحدى المهام الرئيسية لنظام إدارة المباني هي منع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد للبطارية. يمكن أن يؤدي الشحن الزائد إلى إتلاف خلايا البطارية وتقليل عمرها الافتراضي، بينما يمكن أن يؤدي الشحن الزائد إلى تدهور الأداء. يضمن نظام إدارة المباني (BMS) حصول البطارية على الكمية المناسبة من الشحن ويمنعها من الامتلاء أو الفارغة جدًا.
فكر في BMS باعتباره الوصي على البطارية. فهو دائمًا تحت المراقبة وجاهز للتدخل وحماية البطارية من أي ضرر محتمل. من خلال مراقبة وتنظيم معلمات البطارية، يساعد نظام إدارة المباني على إطالة عمرها الإجمالي والحفاظ على الأداء الأمثل.
ما هي الميزات التي يجب أن تكون موجودة في نظام إدارة المباني (BMS)؟
نريد أن نشارك رأيي حول الحد الأدنى من متطلبات نظام إدارة المباني لضمان الحماية وطول عمر حزمة البطارية.
أولاً، حماية الجهد أمر ضروري. من الضروري منع الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية. نحن بحاجة إلى الحفاظ على نطاق جهد آمن لتجنب إتلاف الخلايا وزيادة عمرها الافتراضي. بالمناسبة، يجب علينا أيضًا أن نفكر في منع العبوة من توصيل تيارات تتجاوز سعتها، ليس فقط على مستوى الخلية ولكن للحزمة بأكملها أيضًا.
تعتبر حماية درجة الحرارة جانبًا حيويًا آخر. عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير جدًا، يمكن أن يؤدي ذلك إلى مخاطر وفشل محتمل. ولذلك، فإن وجود آليات لرصد درجات الحرارة المرتفعة والتحكم فيها أمر بالغ الأهمية. وبالمثل، من المهم أن يكون لديك حماية للشحن في درجات حرارة منخفضة لمنع حدوث مشكلات مثل طلاء معدن الليثيوم على الأنود بسبب الظروف شديدة البرودة.
علاوة على ذلك، هناك ميزة مفيدة، على الرغم من أنها ليست ضرورية تمامًا، وهي القدرة على موازنة الخلايا ضمن سلسلة. تتشارك الخلايا الموصولة على التوازي بشكل طبيعي في التيار والجهد، لكن الخلايا المتصلة على التوالي لا تفعل ذلك. للحفاظ على حالة شحن موحدة (SOC) بين الخلايا، يلزم وجود آلية موازنة أو قدرة مشاركة تيار إضافية.
أخيرًا، على الرغم من أننا لم نناقش معايير محددة لاختبارات الجهات الخارجية، فمن الجدير بالذكر أن هناك معايير حالية يمكن لمختبرات الاختبارات التابعة لجهات خارجية استخدامها لتقييم الامتثال.
المعايير
غالبًا ما يكون هناك ارتباك فيما يتعلق بالقوائم المختلفة للخلايا وحزم البطاريات وأنظمة إدارة البطارية. لنوضح الأمور قليلا. يمكن اختبار خلايا أيون الليثيوم وإدراجها وفقًا لمعايير UL 1642 أو IEC 62133.
من ناحية أخرى، تحتوي حزم البطاريات على قوائم خاصة بها. يمكن إدراجها تحت UL 2050 أو UL 1973، وكلاهما يتطلب الامتثال لـ UL 1642 كشرط أساسي. من المهم ملاحظة أن UL 1642 في حد ذاته ليس قائمة حزم ولكنه شرط أساسي لقوائم الحزم هذه.
في محاولة لإنشاء قائمة تنطبق على كل من الخلايا والحزم، قدمت اللجنة الكهرتقنية الدولية IEC 62133. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن أنظمة إدارة البطارية (BMS) لها أيضًا قوائم منفصلة خاصة بها.
بالنسبة للأجهزة، يمكن إدراج نظام إدارة المباني في UL 991، بينما بالنسبة للبرامج، يمكن إدراجه في UL 1998 أو IEC 60730-1. من المهم ملاحظة أن UL 991 وUL 1998 ليسا من المتطلبات الأساسية لقوائم UL 2054 أو UL 1973.
ومع ذلك، إذا لم يكن نظام إدارة المباني (BMS) الخاص بك مدرجًا في هذه المعايير، فستحتاج إلى إجراء اختبار باستخدام شروط الخطأ للتأكد من أنه حتى في حالة الفشل، لن يتم إنشاء موقف خطير.
من المهم أن نتذكر أن هذه ليست قائمة شاملة للمعايير، ولكنني أردت تسليط الضوء على وجودها وتقديم بعض التوضيحات.
خاتمة
من خلال فهم مبدأ عمل بطاريات الليثيوم أيون والنظر في عوامل مثل جودة الخلية، وتصميم العبوة، ونظام إدارة البطارية القوي، يمكننا تعزيز سلامة البطارية وموثوقيتها. يساهم الالتزام بالمعايير ذات الصلة وإجراء اختبارات شاملة في الاستخدام الآمن والفعال لبطاريات الليثيوم أيون.
مع التقدم المستمر في التكنولوجيا والتركيز على السلامة، ستستمر بطاريات الليثيوم أيون في لعب دور مهم في عالمنا المكهرب، حيث تعمل على تشغيل التطبيقات المختلفة مع تخفيف المخاطر.
مقالات ذات صلة:
