مقدمه
در کمتر از دو دهه، باتریهای لیتیوم یونی از یک فناوری مورد استفاده در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل به ستون فقرات صنعت خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی تبدیل شدهاند. افزایش چگالی انرژی، کاهش هزینه تولید و پیشرفت فناوری مواد فعال موجب شده است که امروزه ظرفیت باتری خودروهای برقی به صدها کیلوواتساعت و ظرفیت سامانههای ذخیرهسازی شبکه به چندین مگاواتساعت برسد.
اما افزایش انرژی ذخیرهشده در حجم محدود، همواره با چالشهای ایمنی همراه است. در واقع هرچه چگالی انرژی بالاتر میرود، پیامدهای خرابی نیز شدیدتر خواهد بود. مهمترین نگرانی ایمنی در این حوزه پدیدهای است که با عنوان فرار حرارتی یا Thermal Runaway شناخته میشود؛ پدیدهای که میتواند از خرابی یک سلول منفرد آغاز شده و در صورت نبود راهکارهای حفاظتی مناسب، به آتشسوزی گسترده یک ماژول، یک پک باتری یا حتی یک سامانه ذخیرهسازی انرژی منجر شود.
به همین دلیل در سالهای اخیر تمرکز صنعت باتری تنها بر افزایش ظرفیت و عملکرد نبوده، بلکه ایمنی حرارتی به یکی از مهمترین محورهای تحقیق و توسعه تبدیل شده است.
فرار حرارتی (Thermal Runaway) یکی از مهمترین ریسکهای ایمنی در باتریهای لیتیوم یونی است. در این مقاله مکانیزمهای ایجاد فرار حرارتی، انتشار آن در ماژول و پک باتری، نقش شیمی سلول، سیستم مدیریت باتری، موانع حرارتی و فناوریهای نوین مهار آتشسوزی را بررسی میکنیم.
فرار حرارتی چیست؟
فرار حرارتی به شرایطی گفته میشود که نرخ تولید حرارت در داخل سلول از ظرفیت دفع حرارت آن بیشتر شود. در چنین وضعیتی دمای سلول به صورت تصاعدی افزایش یافته و مجموعهای از واکنشهای گرمازا در ساختار داخلی باتری فعال میشوند.
این فرآیند یک چرخه فزاینده ایجاد میکند. به این صورت که افزایش دما باعث تسریع واکنشهای شیمیایی میشود و این واکنشها نیز گرمای بیشتری تولید میکنند. در نتیجه سلول به نقطهای میرسد که کنترل دمای آن تقریباً غیرممکن میشود.
در باتریهای لیتیوم یونی، آغاز فرار حرارتی معمولاً در محدوده دمایی بالاتر از 130 درجه سانتیگراد رخ میدهد. پس از آن، تخریب اجزای داخلی سلول با سرعت زیادی پیش میرود و انرژی ذخیرهشده به شکل گرما، گازهای قابل اشتعال، شعله و در موارد شدید به صورت انفجار آزاد میشود.
چگونه یک سلول وارد فرار حرارتی میشود؟
فرار حرارتی معمولاً حاصل یک نقص واحد نیست، بلکه نتیجه مجموعهای از رخدادهای متوالی است.
فرآیند اغلب با افزایش غیرعادی دما آغاز میشود. این افزایش دما ممکن است ناشی از شارژ بیش از حد، دشارژ شدید، اتصال کوتاه داخلی، آسیب مکانیکی، نقص تولید یا عملکرد نامناسب سیستم خنککاری باشد.
در مرحله بعد، لایه محافظ SEI که روی سطح آند تشکیل شده است شروع به تجزیه میکند. این لایه یکی از مهمترین عوامل پایداری الکتروشیمیایی سلول محسوب میشود و تخریب آن با آزاد شدن انرژی همراه است.
با ادامه افزایش دما، الکترولیت آلی داخل باتری تجزیه شده و گازهای قابل اشتعال تولید میکند. همزمان فشار داخلی سلول افزایش مییابد و احتمال فعال شدن دریچه اطمینان یا پارگی بدنه بیشتر میشود.
در دماهای بالاتر، جداکننده بین آند و کاتد آسیب میبیند. این موضوع میتواند منجر به اتصال کوتاه داخلی و آزاد شدن ناگهانی انرژی شود.
در برخی شیمیهای باتری، بهویژه سلولهای دارای درصد بالای نیکل، ساختار کاتد نیز ناپایدار شده و اکسیژن آزاد میکند. حضور اکسیژن در کنار الکترولیت قابل اشتعال شرایط را برای احتراق شدید فراهم میسازد. این فرآیند منجر به انفجار و شعله ور شدن باتری می شود.
تأثیر شیمی سلول بر ایمنی حرارتی
یکی از موضوعات مهمی که گاهی در بحثهای عمومی نادیده گرفته میشود، تفاوت رفتار حرارتی شیمیهای مختلف باتری است.
باتریهای فسفات آهن لیتیوم (LFP) به دلیل ساختار بلوری پایدارتر، مقاومت بیشتری در برابر افزایش دما دارند. به همین دلیل در بسیاری از سامانههای ذخیرهسازی انرژی و بخشی از خودروهای برقی جدید، استفاده از این فناوری افزایش یافته است.
در مقابل، شیمیهای NMC و NCA به دلیل چگالی انرژی بالاتر، برای خودروهای با برد حرکتی زیاد جذاب هستند اما حساسیت بیشتری نسبت به افزایش دما دارند. این موضوع موجب میشود طراحی سیستم خنککاری، پایش حرارتی و راهکارهای مهار انتشار در این نوع باتریها اهمیت بیشتری پیدا کند.
انتخاب شیمی سلول در واقع یک تصمیم و بهینه سازی چندبعدی میان چگالی انرژی، هزینه، عمر مفید و سطح ایمنی است. در انتخاب بهترین گزینه شبیه سازی ها اهمیت بسیار زیادی دارند، برای اطلاعات بیشتر در این خصوص می توانید مقاله ” نقش شبیهسازی و ابزارهای دیجیتال در طراحی نسل جدید پکهای باتری ” مطالعه کنید.
انتشار فرار حرارتی؛ چالش واقعی مهندسان پک باتری
در صنعت باتری، وقوع فرار حرارتی در یک سلول لزوماً به معنای شکست طراحی نیست. آنچه به عنوان معیار اصلی ایمنی شناخته میشود، توانایی سیستم در جلوگیری از گسترش خرابی به سلولهای مجاور است.
انرژی آزادشده از یک سلول در حال فرار حرارتی میتواند چندین سلول مجاور را به دمای بحرانی برساند. در نتیجه خرابی به صورت زنجیرهای در سراسر ماژول یا پک گسترش مییابد. این فرآیند با عنوان Thermal Runaway Propagation شناخته میشود.
در سالهای اخیر مقررات ایمنی جدید، بهویژه در حوزه خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی، تمرکز ویژهای بر کنترل انتشار حرارتی داشتهاند.
برای مطالعه بیشتر در حوزه مقررات ایمنی در باتریها مقاله “سطوح ایمنی باتری” را مطالعه کنید.
مکانیسمهای انتشار حرارتی
انتشار فرار حرارتی میتواند از چند مسیر مختلف اتفاق بیفتد.
هدایت حرارتی
در ماژولهایی که سلولها با فاصله کم کنار یکدیگر قرار گرفتهاند، گرما از طریق تماس مستقیم یا اجزای مشترک سازهای منتقل میشود.
گازهای داغ خروجی
سلول در حال فرار حرارتی میتواند حجم قابل توجهی از گازهای داغ را آزاد کند. اگر این گازها به درستی مدیریت نشوند، سلولهای مجاور را به سرعت گرم خواهند کرد.
پرتاب ذرات و مواد مذاب
در برخی خرابیهای شدید، ذرات فلزی و مواد مذاب از سلول خارج شده و به عنوان منابع ثانویه اشتعال عمل میکنند.
آتشسوزی خارجی
در کاربردهایی مانند خودروهای برقی، حرارت ناشی از آتشسوزی محیطی نیز میتواند به انتشار حرارتی در سطح پک منجر شود.
در ادامه راه حلهایی که طراحان برای مهار این چهار راه اصلی در گسترش فرار حرارتی بکار می برند را مورد بررسی قرار می دهیم.
پارگی دیواره جانبی سلولهای استوانهای
یکی از موضوعات مهم در طراحی ماژولهای مبتنی بر سلولهای استوانهای، کنترل مسیر خروج انرژی در شرایط خرابی است.
در حالت ایدهآل، فشار داخلی سلول از طریق دریچه اطمینان تخلیه میشود. اما در برخی شرایط، دیواره جانبی سلول دچار پارگی میشود. این اتفاق معمولاً با آزاد شدن ناگهانی حجم زیادی از انرژی حرارتی همراه است و احتمال سرایت خرابی را به شدت افزایش میدهد.
به همین دلیل طراحی مسیرهای خروج گاز و کنترل جهت تخلیه انرژی به یکی از موضوعات کلیدی در توسعه نسل جدید ماژولهای باتری تبدیل شده است.
برای جلوگیری از گسترش خرابی، تولیدکنندگان از مجموعهای از راهکارهای مکمل استفاده میکنند.
مهمترین این راهکارها عبارتاند از:
- ایجاد فاصله هوایی بین سلولها
- استفاده از موانع حرارتی بین سلولها
- تقسیم پک به نواحی مستقل
- طراحی کانالهای خروج گاز
- استفاده از فیوزهای حفاظتی
- پایش مداوم شرایط سلولها
هیچکدام از این راهکارها به تنهایی کافی نیستند و معمولاً به صورت ترکیبی مورد استفاده قرار میگیرند.
موانع حرارتی؛ یکی از مهمترین اجزای ایمنی پک
مواد مانع حرارتی یا Thermal Barrier Materials امروزه نقش بسیار مهمی در طراحی پکهای باتری ایفا میکنند.
هدف این مواد جلوگیری از انتقال سریع حرارت از سلول آسیبدیده به سلولهای مجاور است. در سالهای اخیر استفاده از مواد مبتنی بر میکا، آئروژل، الیاف سرامیکی و ساختارهای منبسطشونده حرارتی به طور قابل توجهی افزایش یافته است.
انتخاب ماده مناسب به عوامل مختلفی بستگی دارد:
- نوع شیمی سلول
- شکل هندسی سلول
- معماری پک
- محدودیتهای وزنی
- هزینه تولید
- الزامات قانونی
در معماریهای جدید Cell-to-Pack و Cell-to-Chassis اهمیت این مواد بیش از گذشته شده است؛ زیرا فاصله بین سلولها کاهش یافته و کنترل انتشار حرارتی دشوارتر شده است.
نقش سیستم مدیریت باتری در پیشگیری از حادثه
سیستم مدیریت باتری یا BMS نخستین خط دفاعی در برابر فرار حرارتی محسوب میشود.
این سیستم به صورت پیوسته پارامترهایی مانند ولتاژ، جریان و دمای سلولها را پایش میکند و در صورت تشخیص شرایط غیرعادی اقدامات حفاظتی انجام میدهد.
نسل جدید BMSها تنها به پایش دادهها محدود نیستند. امروزه الگوریتمهای پیشرفته قادرند روند تغییرات را تحلیل کرده و قبل از وقوع حادثه هشدارهای لازم را صادر کنند.
مدیریت حرارتی؛ حلقه اتصال عملکرد و ایمنی
یکی از مهمترین عوامل کاهش ریسک فرار حرارتی، طراحی صحیح سامانه مدیریت حرارتی است.
خنککاری هوا، خنککاری مایع، صفحات سردکننده، لولههای حرارتی و مواد تغییر فاز دهنده از جمله فناوریهایی هستند که برای کنترل دمای باتری مورد استفاده قرار میگیرند.
در خودروهای برقی مدرن، سیستمهای خنککاری مایع به دلیل توانایی بالاتر در کنترل دما به راهکار غالب تبدیل شدهاند.
نقش هوش مصنوعی در ایمنی نسل آینده باتریها
ورود هوش مصنوعی به صنعت باتری یکی از روندهای مهم سالهای اخیر است.
الگوریتمهای یادگیری ماشین میتوانند با تحلیل میلیونها داده عملیاتی، الگوهای پنهان خرابی را شناسایی کنند. این فناوری امکان پیشبینی افزایش غیرعادی دما، تشخیص سلولهای در معرض خطر و تخمین احتمال وقوع فرار حرارتی را فراهم میکند.
ترکیب هوش مصنوعی با دادههای BMS میتواند مفهوم «نگهداری پیشگویانه» را به سطح جدیدی در صنعت باتری برساند.
پژوهشگران در سراسر جهان در حال توسعه فناوریهایی هستند که بتوانند احتمال وقوع فرار حرارتی را کاهش دهند یا اثرات آن را محدود کنند.
الکترولیتهای غیرقابل اشتعال، باتریهای حالت جامد، جداکنندههای هوشمند، حسگرهای داخلی پیشرفته و موانع حرارتی نسل جدید از مهمترین حوزههای تحقیقاتی محسوب میشوند.
به نظر میرسد در دهه آینده رقابت اصلی صنعت باتری تنها بر سر افزایش چگالی انرژی نباشد؛ بلکه ایمنی به یکی از معیارهای اصلی موفقیت فناوریهای جدید تبدیل خواهد شد.
جمعبندی
در این مقاله ابعاد گوناگور فرار حرارتی در باتریهای لیتیوم-یون را مورد بررسی قرار دادیم. فرار حرارتی مهمترین چالش ایمنی باتریهای لیتیوم یونی در خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی است. این پدیده حاصل مجموعهای از واکنشهای گرمازای زنجیرهای است که میتواند از یک سلول آغاز شده و در صورت نبود تدابیر مهندسی مناسب، به کل بسته باتری گسترش یابد.
امروزه کنترل این ریسک نیازمند ترکیبی از انتخاب صحیح شیمی سلول، طراحی دقیق پک، استفاده از موانع حرارتی، سامانههای مدیریت حرارتی پیشرفته، BMS هوشمند و آزمونهای ایمنی سختگیرانه است. مسیر آینده صنعت نیز نشان میدهد که توسعه باتریهای پرانرژی بدون ارتقای همزمان ایمنی دیگر امکانپذیر نخواهد بود.
بیشتر بخوانید
در برخورد با آتشسوزی باتری لیتیومی چه باید کرد؟
آشنایی با سیستم مدیریت باتری (BMS)
