تحليل أسباب انتفاخ وانفجار بطارية الليثيوم
May 16, 2025تحليل أسباب انتفاخ وانفجار بطارية الليثيوم
مبدأ عمل بطاريات الليثيوم أيون
الليثيوم هو أصغر وأكثر المعادن نشاطًا في الجدول الدوري الكيميائي. وهو شائع الاستخدام لدى المستهلكين والمهندسين نظرًا لصغر حجمه وكثافته العالية. ومع ذلك، فإن خواصه الكيميائية شديدة النشاط، مما يُسبب خطرًا بالغًا. عند تعرض معدن الليثيوم للهواء، يُنتج تفاعل أكسدة عنيفًا مع الأكسجين وينفجر. ولتحسين السلامة والجهد، اخترع العلماء مواد مثل الجرافيت وأكسيد كوبالت الليثيوم لتخزين ذرات الليثيوم. يُشكل التركيب الجزيئي لهذه المواد شبكات تخزين نانوية صغيرة الحجم يمكن استخدامها لتخزين ذرات الليثيوم. وبهذه الطريقة، حتى في حالة كسر غلاف البطارية ودخول الأكسجين، تكون جزيئات الأكسجين كبيرة جدًا بحيث لا يمكنها دخول شبكات التخزين الصغيرة هذه، وبالتالي لن تتلامس ذرات الليثيوم مع الأكسجين وتتجنب الانفجار. يسمح هذا المبدأ في بطاريات أيونات الليثيوم للمستخدمين بتحقيق السلامة مع الحصول على كثافة سعتها العالية.
الليثيوم هو أصغر وأكثر المعادن نشاطًا في الجدول الدوري الكيميائي. وهو شائع الاستخدام لدى المستهلكين والمهندسين نظرًا لصغر حجمه وكثافته العالية. ومع ذلك، فإن خواصه الكيميائية شديدة النشاط، مما يُسبب خطرًا بالغًا. عند تعرض معدن الليثيوم للهواء، يُنتج تفاعل أكسدة عنيفًا مع الأكسجين وينفجر. ولتحسين السلامة والجهد، اخترع العلماء مواد مثل الجرافيت وأكسيد كوبالت الليثيوم لتخزين ذرات الليثيوم. يُشكل التركيب الجزيئي لهذه المواد شبكات تخزين نانوية صغيرة الحجم يمكن استخدامها لتخزين ذرات الليثيوم. وبهذه الطريقة، حتى في حالة كسر غلاف البطارية ودخول الأكسجين، تكون جزيئات الأكسجين كبيرة جدًا بحيث لا يمكنها دخول شبكات التخزين الصغيرة هذه، وبالتالي لن تتلامس ذرات الليثيوم مع الأكسجين وتتجنب الانفجار. يسمح هذا المبدأ في بطاريات أيونات الليثيوم للمستخدمين بتحقيق السلامة مع الحصول على كثافة سعتها العالية.
عند شحن بطارية ليثيوم-أيون، تفقد ذرات الليثيوم في القطب الموجب إلكتروناتها وتتأكسد إلى أيونات ليثيوم. تنتقل أيونات الليثيوم إلى القطب السالب عبر الإلكتروليت، وتدخل خلية تخزين القطب السالب، وتحصل على إلكترون يُختزل إلى ذرات ليثيوم. عند التفريغ، تنعكس العملية برمتها. ولمنع تلامس القطبين الموجب والسالب للبطارية مباشرةً وحدوث قصر في الدائرة، يُضاف ورق غشاء ذي مسام عديدة إلى البطارية لمنع حدوث قصر في الدائرة. كما يُمكن لورق الغشاء الجيد إغلاق المسام تلقائيًا عند ارتفاع درجة حرارة البطارية، مما يمنع مرور أيونات الليثيوم ويمنع الخطر.
عند شحن خلية بطارية الليثيوم بجهد أعلى من 4.2 فولت، تبدأ الآثار الجانبية بالظهور. كلما ارتفع جهد الشحن الزائد، زاد الخطر. عندما يتجاوز جهد خلية بطارية الليثيوم 4.2 فولت، يقل عدد ذرات الليثيوم المتبقية في مادة القطب الموجب عن النصف، وغالبًا ما تنهار خلية التخزين في هذه الحالة، مما يتسبب في انخفاض دائم في سعة البطارية. إذا استمر الشحن، ولأن خلية تخزين القطب السالب ممتلئة بالفعل بذرات الليثيوم، سيتراكم معدن الليثيوم اللاحق على سطح مادة القطب السالب. ستنمو هذه الذرات شجيرات من سطح القطب السالب باتجاه أيونات الليثيوم. ستمر بلورات معدن الليثيوم هذه عبر غشاء الغشاء، مما يتسبب في حدوث قصر في دائرة القطبين الموجب والسالب. في بعض الأحيان، تنفجر البطارية قبل حدوث قصر الدائرة. يرجع ذلك إلى أنه أثناء الشحن الزائد، يتحلل الإلكتروليت والمواد الأخرى مُنتجةً غازًا، مما يُسبب تضخم غلاف البطارية أو صمام الضغط وتمزقه، مما يسمح للأكسجين بالدخول والتفاعل مع ذرات الليثيوم المتراكمة على سطح القطب السالب، ثم الانفجار. لذلك، عند شحن بطاريات الليثيوم، من الضروري تحديد حد أقصى للجهد، مع مراعاة عمر البطارية وسعتها وسلامتها في آنٍ واحد. الحد الأقصى الأمثل لجهد الشحن هو 4.2 فولت.
يوجد أيضًا حد جهد أقل عند تفريغ بطاريات الليثيوم. عندما يكون جهد البطارية أقل من 2.4 فولت، تبدأ بعض المواد بالتلف. ولأن البطارية تُفرّغ نفسها ذاتيًا، فكلما طالت مدة تفريغها، انخفض جهدها. لذلك، يُفضّل عدم إيقاف التفريغ عند 2.4 فولت. خلال فترة تفريغ بطارية الليثيوم من 3.0 فولت إلى 2.4 فولت، تُشكّل الطاقة المُنطلقة حوالي 3% فقط من سعة البطارية. لذلك، يُعدّ 3.0 فولت جهد قطع مثاليًا للتفريغ.
عند الشحن والتفريغ، بالإضافة إلى تحديد الجهد، يلزم تحديد التيار أيضًا. فعندما يكون التيار كبيرًا جدًا، لن يتوفر لأيونات الليثيوم الوقت الكافي لدخول خلية التخزين، وستتجمع على سطح المادة. بعد حصول أيونات الليثيوم هذه على الإلكترونات، تتبلور ذرات الليثيوم على سطح المادة، وهو أمر خطير تمامًا مثل الشحن الزائد. فإذا انكسر غلاف البطارية، سينفجر.
لذلك، يجب أن تتضمن حماية بطاريات الليثيوم أيون على الأقل: الحد الأعلى لجهد الشحن، والحد الأدنى لجهد التفريغ، والحد الأعلى للتيار.
بشكل عام، بالإضافة إلى خلية بطارية الليثيوم، توجد لوحة حماية في حزمة بطارية الليثيوم، وهي التي توفر هذه الحماية الثلاث بشكل أساسي. ومع ذلك، من الواضح أن هذه الحماية الثلاث للوحة الحماية غير كافية، ولا تزال انفجارات بطاريات الليثيوم شائعة حول العالم. لضمان سلامة نظام البطارية، من الضروري إجراء تحليل أكثر دقة لأسباب انفجارها.
يمكن تلخيص أنواع انفجارات نواة البطارية في ماس كهربائي خارجي، وماس كهربائي داخلي، وفرط شحن. يشير الماس الكهربائي الخارجي هنا إلى الجزء الخارجي من خلية البطارية، بما في ذلك ماس كهربائي ناتج عن سوء تصميم العزل داخل حزمة البطارية.
عند حدوث قصر كهربائي خارج خلية البطارية وفشل المكونات الإلكترونية في فصلها، تتولد حرارة عالية داخلها، مما يؤدي إلى تبخر جزء من الإلكتروليت وتمدد غلافها. عندما تصل درجة الحرارة داخل البطارية إلى 135 درجة مئوية، يُغلق ورق غشاء عالي الجودة المسام، وينتهي التفاعل الكهروكيميائي أو يكاد ينتهي، وينخفض التيار بشكل حاد، وتنخفض درجة الحرارة تدريجيًا، مما يمنع الانفجار. ومع ذلك، إذا كان معدل إغلاق المسام ضعيفًا جدًا، أو لم تُغلق مسام ورق الغشاء على الإطلاق، فستستمر درجة حرارة البطارية في الارتفاع، ويتبخر المزيد من الإلكتروليت، وفي النهاية سينكسر غلاف البطارية، بل وسترتفع درجة حرارة البطارية إلى درجة احتراق المادة وانفجارها.
يحدث قصر الدائرة الداخلية بشكل رئيسي بسبب نتوءات صغيرة على رقائق النحاس والألومنيوم تخترق الحجاب الحاجز، أو بسبب تشعبات ذرات الليثيوم التي تخترق الحجاب الحاجز. تُسبب هذه المعادن الدقيقة الشبيهة بالإبر قصرًا دقيقًا. ولأن الإبر رفيعة جدًا ولها قيمة مقاومة معينة، فقد لا يكون التيار كبيرًا جدًا. تحدث نتوءات على رقائق النحاس والألومنيوم أثناء عملية الإنتاج. الظاهرة الملحوظة هي أن البطارية تتسرب بسرعة كبيرة، ويمكن لمصنع خلايا البطاريات أو مصنع التجميع إزالة معظمها. علاوة على ذلك، نظرًا لصغر حجم النتوءات، فقد تحترق أحيانًا، مما يؤدي إلى عودة البطارية إلى وضعها الطبيعي. لذلك، فإن احتمالية حدوث انفجار بسبب قصر الدائرة الدقيق الناتج عن النتوءات ليست عالية.
يمكن دعم هذه المقولة إحصائيًا بحقيقة وجود بطاريات رديئة ذات جهد منخفض بعد الشحن بفترة وجيزة في كل مصنع بطاريات، ولكن نادرًا ما تحدث انفجارات. لذلك، فإن الانفجار الناتج عن قصر الدائرة الداخلية ناتج بشكل رئيسي عن الشحن الزائد. لأنه بعد الشحن الزائد، يمتلئ القطب ببلورات معدنية ليثيوم إبرة الشكل، وتنتشر نقاط الثقب في كل مكان، وتحدث دوائر قصر دقيقة في كل مكان. لذلك، سترتفع درجة حرارة البطارية تدريجيًا، وفي النهاية ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تغويز الإلكتروليت. في هذه الحالة، سواء كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا بحيث لا تتسبب في احتراق المادة وانفجارها، أو إذا انكسر الغلاف أولاً، مما يسمح للهواء بالدخول والتأكسد بقوة مع معدن الليثيوم، فسيؤدي ذلك إلى انفجار.
مع ذلك، لا يحدث هذا الانفجار الناتج عن ماس كهربائي داخلي ناتج عن الشحن الزائد بالضرورة أثناء الشحن. من الممكن ألا تكون درجة حرارة البطارية مرتفعة بما يكفي لحرق المادة، وأن الغاز المتولد لا يكفي لكسر غلافها، فيتوقف المستخدم عن الشحن ويخرج الهاتف. في هذه الحالة، ترفع الحرارة الناتجة عن ماس كهربائي دقيق متعدد درجة حرارة البطارية تدريجيًا، وبعد فترة من الوقت، يحدث الانفجار. كثيرًا ما يصف المستخدمون هواتفهم بأنها ساخنة جدًا عند التقاطها، ثم تنفجر بعد التخلص منها.
بناءً على أنواع الانفجارات المذكورة أعلاه، يُمكن التركيز على ثلاثة جوانب للوقاية من الانفجارات: منع الشحن الزائد، ومنع قصر الدائرة الخارجية، وتحسين سلامة خلايا البطارية. من بين هذه الجوانب، ينتمي منع الشحن الزائد ومنع قصر الدائرة الخارجية إلى الحماية الإلكترونية، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتصميم نظام البطارية وتجميعها. يكمن مفتاح تحسين سلامة خلايا البطارية في الحماية الكيميائية والميكانيكية، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمصنّعي خلايا البطارية.
نظراً لوجود مئات الملايين من الهواتف المحمولة في العالم، لتحقيق السلامة، يجب أن يكون معدل فشل الحماية أقل من واحد في المائة مليون. لأن معدل فشل لوحات الدوائر الإلكترونية أعلى بكثير من واحد في المائة مليون. لذلك، عند تصميم نظام بطارية، يجب أن يكون هناك أكثر من خطي دفاع للسلامة. من الأخطاء الشائعة في التصميم استخدام شاحن (محول) لشحن حزمة البطارية مباشرةً. وبهذه الطريقة، تُسلم مسؤولية الحماية من الشحن الزائد بالكامل إلى لوحة الحماية الموجودة على حزمة البطارية. على الرغم من أن معدل فشل لوحة الحماية ليس مرتفعاً، حتى لو كان معدل الفشل منخفضاً إلى واحد في المليون، إلا أنه لا يزال هناك احتمال لوقوع حوادث انفجار يومياً في جميع أنحاء العالم.
إذا كان نظام البطارية قادرًا على توفير حمايتين ضد الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد على التوالي، فإذا كان معدل فشل كل حماية واحدًا من عشرة آلاف، فإن الحمايتين يمكنهما خفض معدل الفشل إلى واحد من مئة مليون. يوضح الرسم التخطيطي لنظام شحن البطارية الشائع ما يلي، والذي يتكون من جزأين رئيسيين: الشاحن وحزمة البطارية. يتضمن الشاحن أيضًا جزأين: المحول (Adaptor) ووحدة التحكم في الشحن. يحول المحول طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر، بينما تحدد وحدة التحكم في الشحن الحد الأقصى للتيار والجهد لطاقة التيار المستمر. تتكون حزمة البطارية من جزأين: لوحة الحماية وخلية البطارية، بالإضافة إلى معامل القدرة الإيجابي (PTC) لتحديد الحد الأقصى للتيار.
على سبيل المثال، في نظام بطاريات الهواتف المحمولة، يستخدم نظام الحماية من الشحن الزائد جهد خرج الشاحن المُضبط عند حوالي 4.2 فولت لتحقيق المستوى الأول من الحماية. بهذه الطريقة، حتى في حالة تعطل لوحة الحماية الموجودة على حزمة البطارية، لن تتعرض البطارية للشحن الزائد ولن تُشكل خطرًا. أما خط الحماية الثاني فهو وظيفة الحماية من الشحن الزائد على لوحة الحماية، والتي عادةً ما تكون مضبوطة على 4.3 فولت. بهذه الطريقة، لا يتعين على لوحة الحماية أن تكون مسؤولة عن قطع تيار الشحن، بل تعمل فقط عندما يكون جهد الشاحن مرتفعًا بشكل غير طبيعي. تقع مسؤولية الحماية من التيار الزائد على لوحة الحماية ومحدد التيار، وهما أيضًا خطا حماية لمنع التيار الزائد والقصر الكهربائي الخارجي. بما أن التفريغ الزائد يحدث فقط أثناء استخدام المنتجات الإلكترونية، فإن التصميم العام هو أن توفر لوحة الدائرة للمنتج الإلكتروني الحماية الأولى، وتوفر لوحة الحماية الموجودة على حزمة البطارية الحماية الثانية. عندما يكتشف المنتج الإلكتروني أن جهد مصدر الطاقة أقل من 3.0 فولت، يجب أن يتوقف تلقائيًا. إذا لم يتم تصميم هذه الوظيفة عند تصميم المنتج، فستقوم لوحة الحماية بإغلاق دائرة التفريغ عندما يكون الجهد منخفضًا إلى 2.4 فولت.
باختصار، عند تصميم نظام بطارية، يجب توفير حمايتين إلكترونيتين ضد الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد. لوحة الحماية هي الحماية الثانية. إذا انفجرت البطارية عند إزالتها، فهذا يعني أن التصميم سيء.
على الرغم من أن الطريقة المذكورة أعلاه توفر حمايتين، إلا أن المستهلكين غالبًا ما يشترون شواحن غير أصلية لشحنها بعد تعطلها، وغالبًا ما يُزيل مصنعو الشواحن وحدة التحكم في الشحن لخفض التكاليف نظرًا لاعتبارات التكلفة. ونتيجةً لذلك، يُطرد المال الرديء المال الجيد، وتظهر في السوق العديد من الشواحن رديئة الجودة. وهذا يُفقد الحماية من الشحن الزائد خط الدفاع الأول والأهم. يُعد الشحن الزائد العامل الأهم المُسبب لانفجار البطاريات، لذا يُمكن اعتبار الشواحن رديئة الجودة السبب الرئيسي في انفجارها.
بالطبع، لا تستخدم جميع أنظمة البطاريات الحل الموضح في الشكل أعلاه. في بعض الحالات، تحتوي حزمة البطارية أيضًا على تصميم وحدة تحكم في الشحن. على سبيل المثال، تحتوي العديد من وحدات البطارية الخارجية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة على وحدة تحكم في الشحن. ويرجع ذلك إلى أن أجهزة الكمبيوتر المحمولة عادةً ما تكون وحدة التحكم في الشحن مدمجة فيها، ولا توفر للمستهلكين سوى محول. لذلك، يجب أن تحتوي حزمة البطارية الخارجية لجهاز الكمبيوتر المحمول على وحدة تحكم في الشحن لضمان سلامتها عند الشحن باستخدام محول. بالإضافة إلى ذلك، قد تحتوي المنتجات التي تستخدم ولاعة سجائر السيارة للشحن أحيانًا على وحدة تحكم في الشحن مدمجة في حزمة البطارية.
في حال فشل جميع إجراءات الحماية الإلكترونية، تُوفر خلية البطارية خط الدفاع الأخير. يمكن تقسيم مستوى أمان خلية البطارية تقريبًا إلى مستويات بناءً على قدرتها على تحمّل قصر الدائرة الخارجية والشحن الزائد. فقبل انفجار البطارية، إذا تراكمت ذرات الليثيوم على سطح المادة الداخلية، فسيكون الانفجار أشد. علاوة على ذلك، غالبًا ما تقتصر الحماية من الشحن الزائد على خط دفاع واحد فقط نظرًا لاستخدام المستهلكين شواحن رديئة. لذلك، فإن قدرة خلية البطارية على مقاومة الشحن الزائد أهم من قدرتها على مقاومة قصر الدائرة الخارجية.
عند مقارنة سلامة بطاريات غلاف الألومنيوم مع بطاريات غلاف الفولاذ، فإن أغلفة الألومنيوم تتمتع بميزة أمان أعلى من أغلفة الفولاذ.
أسي ذكي متخصصة في البحث وتصنيع المعدات المتطورة لبطاريات الليثيوم أيون. تغطي أعمالنا:
لأي استفسارات بخصوص مواد ومعدات بطاريات الليثيوم، تواصلوا معنا. نحن على أتم الاستعداد لتقديم الدعم الفني الاحترافي والحلول الشاملة لكم.
