تعد حرائق البطاريات مصدر قلق متزايد للسلامة العامة - وإليك كيفية تقليل المخاطر

في عصر الإلكترونيات الحالي، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن منتشرة في كل مكان.وبالمقارنة مع الإصدارات التي تحتوي على حمض الرصاص والتي هيمنت على سوق البطاريات لعقود من الزمن، يمكن لبطاريات الليثيوم أيون أن تشحن بشكل أسرع وتخزن المزيد من الطاقة بنفس القدر من الوزن.

تجعل هذه الأجهزة أدواتنا الإلكترونية وسياراتنا الكهربائية أخف وزنًا وتدوم لفترة أطول، ولكن لها أيضًا عيوبًا.أنها تحتوي على الكثير من الطاقة، وإذا اشتعلت فيها النيران، فإنها تحترق حتى يتم إطلاق كل تلك الطاقة المخزنة.يمكن أن يؤدي الإطلاق المفاجئ لكميات هائلة من الطاقة إلى انفجارات تهدد الأرواح والممتلكات.

كالعلماء الذين يدرسون توليد الطاقة, تخزين و تحويل, ، و هندسة السيارات, ، لدينا اهتمام قوي بتطوير البطاريات كثيفة الطاقة والآمنة.ونحن نرى علامات مشجعة على أن الشركات المصنعة للبطاريات تحرز تقدماً نحو حل هذه المشكلة التقنية الهامة.

خطر حريق جديد

ويشهد النقل الحضري تحولاً تحويلياً نحو الكهرباء.مع تزايد المخاوف في المدن حول العالم بشأن تغير المناخ وجودة الهواء، المركبات الكهربائية اتخذت مركز الصدارة.

وفي الوقت نفسه، تعمل الدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية الكهربائية على تحويل النقل الحضري من خلال توفير طرق مريحة ومنخفضة الكربون للتنقل في الشوارع المزدحمة والحد من الازدحام المروري.من عام 2010 حتى عام 2022، شكلت الدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية المشتركة - تلك المملوكة لشبكات التأجير - أكثر من نصف مليار رحلة في الولايات المتحدةالمدن.تضيف الدراجات الإلكترونية المملوكة للقطاع الخاص إلى هذا المجموع:في عام 2021، تم بيع أكثر من 880 ألف دراجة إلكترونية في الولايات المتحدة., مقارنة بـ 608 آلاف سيارة وشاحنة كهربائية.

تمثل المركبات التي تعمل بالبطاريات حصة صغيرة حرائق السيارات ولكن السيطرة على حرائق المركبات الكهربائية أمر صعب.عادةً، يحترق حريق السيارة الكهربائية عند درجة حرارة 5000 درجة فهرنهايت (2760 درجة مئوية تقريبًا)، بينما تحترق السيارة التي تعمل بالبنزين عند درجة حرارة 1500 فهرنهايت (815 درجة مئوية).يستغرق إطفاء مركبة تعمل بالبنزين حوالي 2000 جالون من الماء؛يمكن أن يستغرق إخماد حريق المركبة الكهربائية 10 مرات أكثر.

وهذا مصدر قلق كبير في المدن الكبيرة حيث تحظى السيارات الكهربائية بشعبية كبيرة.التعامل مع تقارير إدارات الإطفاء في مدينة نيويورك وسان فرانسيسكو أكثر من 660 حريقا التي تنطوي على بطاريات ليثيوم أيون منذ عام 2019.وتسببت هذه الحرائق في مدينة نيويورك 12 وفاة وأكثر من 260 إصابة من 2021 إلى أوائل 2023.ومن الواضح أن هناك حاجة إلى ممارسات أكثر أمانًا في التعامل والشحن، بالإضافة إلى إدخال تحسينات تقنية على البطاريات.

العديد من البطاريات في السيارة الكهربائية

لفهم حرائق بطاريات الليثيوم أيون، من المهم معرفة بعض الأساسيات.تحتوي البطارية على مواد كيميائية تحتوي على طاقة، مع وجود فاصل بين أقطابها الموجبة والسالبة.يعمل بواسطة تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء.

القطبان الكهربائيان الموجودان في البطارية محاطان بمحلول كهربائي - وهي مادة تسمح بتدفق الشحنة الكهربائية بين الطرفين.ففي بطارية أيون الليثيوم، على سبيل المثال، تحمل أيونات الليثيوم الشحنة الكهربائية.عندما يتم توصيل جهاز ببطارية، تحدث تفاعلات كيميائية على الأقطاب الكهربائية وتنتج تدفقًا من الإلكترونات في الدائرة الخارجية التي تزود الجهاز بالطاقة.

يمكن أن تعمل الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية ببطارية واحدة، لكن السيارة الكهربائية تحتاج إلى المزيد من الطاقة والطاقة.اعتمادًا على تصميمها، قد تحتوي السيارة الكهربائية على العشرات إلى الآلاف من البطاريات الفردية, والتي تعرف بالخلايا.يتم تجميع الخلايا معًا في مجموعات تسمى الوحدات، والتي بدورها يتم تجميعها معًا في حزم.ستحتوي السيارة الكهربائية القياسية على حزمة بطارية كبيرة تحتوي على العديد من الخلايا بداخلها.

ما الذي يسبب حرائق البطارية

عادة، حريق البطارية يبدأ في خلية واحدة داخل حزمة بطارية أكبر.هناك ثلاثة أسباب رئيسية لاشتعال البطارية:الضرر الميكانيكي، مثل السحق أو الاختراق عند اصطدام المركبات؛ضرر كهربائي من خارجي أو داخلي ماس كهربائى;أو ارتفاع درجة الحرارة.

قد يكون سبب قصر دوائر البطارية هو المعالجة الخارجية الخاطئة أو التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها داخل خلية البطارية.عندما يتم شحن بطاريات الليثيوم أيون بسرعة كبيرة، يمكن أن تنتج التفاعلات الكيميائية إبر ليثيوم حادة جدًا تسمى التشعبات على أنود البطارية - القطب ذو الشحنة السالبة.في نهاية المطاف، تخترق الفاصل وتصل إلى القطب الآخر، مما يؤدي إلى قصر دائرة البطارية داخليًا.

تعمل هذه الدوائر القصيرة على تسخين خلية البطارية إلى ما يزيد عن 212 فهرنهايت (100 درجة مئوية).ترتفع درجة حرارة البطارية ببطء في البداية ثم ترتفع مرة واحدة، وترتفع إلى درجة حرارة الذروة خلال ثانية واحدة تقريبًا.

العامل الآخر الذي يجعل من الصعب التعامل مع حرائق بطاريات الليثيوم أيون هو توليد الأكسجين.عندما يتم تسخين الأكاسيد المعدنية الموجودة في كاثود البطارية، أو القطب الكهربائي المشحون بشكل إيجابي، فإنها تتحلل وتطلق غاز الأكسجين.تحتاج الحرائق إلى الأكسجين لتحترق، لذلك يمكن للبطارية التي يمكنها إنتاج الأكسجين أن تحافظ على الحريق.

بسبب طبيعة الإلكتروليت، تؤدي زيادة درجة حرارة بطارية الليثيوم أيون بنسبة 20% إلى حدوث بعض التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها بشكل أسرع بكثير، مما يؤدي إلى إطلاق حرارة زائدة.تؤدي هذه الحرارة الزائدة إلى زيادة درجة حرارة البطارية، مما يؤدي بدوره إلى تسريع التفاعلات.تؤدي زيادة درجة حرارة البطارية إلى زيادة معدل التفاعل، مما يؤدي إلى إنشاء عملية تسمى الهروب الحراري.عندما يحدث هذا، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة في البطارية من 212 فهرنهايت (100 درجة مئوية) إلى 1800 فهرنهايت (1000 درجة مئوية) في الثانية.

إدارة مشكلة الانفلات الحراري

يمكن أن تركز طرق ضمان سلامة البطارية على الظروف الموجودة خارج البطارية أو داخلها.تتضمن الحماية الخارجية عادةً استخدام الأجهزة الإلكترونية، مثل أجهزة استشعار درجة الحرارة وصمامات الضغط، لضمان عدم تعرض البطارية للحرارة أو القوة التي قد تسبب وقوع حادث.

ومع ذلك، فإن هذه الآليات تجعل البطارية أكبر حجمًا وأثقل، مما قد يقلل من أداء الجهاز الذي تشغله.وقد لا يمكن الاعتماد عليها في ظل درجات الحرارة أو الضغوط القصوى، مثل تلك الناتجة عن حوادث السيارات.

تركز استراتيجيات الحماية الداخلية على استخدام مواد آمنة بشكل جوهري لمكونات البطارية.يوفر هذا النهج فرصة لمعالجة المخاطر المحتملة من مصدرها.

إن جعل الهروب الحراري في حزمة البطارية أقل كثافة يتطلب مزيجًا من تحسينات البرامج والأجهزة.ويعمل العلماء على تطوير كاثودات تطلق كمية أقل من الأكسجين عندما تتحلل؛إلكتروليتات غير قابلة للاشتعال؛ إلكتروليتات الحالة الصلبة, والتي لا تشتعل فيها النيران وقد تساعد أيضًا في تخفيف نمو التشعبات؛والفواصل التي يمكن يتحمل درجات الحرارة العالية دون ذوبان.

هناك حل آخر قيد الاستخدام بالفعل: أنظمة إدارة البطارية.وهي عبارة عن حزم أجهزة وبرامج مدمجة في حزم البطاريات يمكنها مراقبة المعلمات الحيوية للبطارية، مثل حالة الشحن والضغط الداخلي ودرجة حرارة الخلايا الموجودة في حزمة البطارية.

مثلما يستخدم الطبيب أعراض المريض لتشخيص وعلاج مرضه، يمكن لأنظمة إدارة البطارية تشخيص الحالات داخل حزمة البطارية واتخاذ قرارات مستقلة لإيقاف تشغيل البطاريات ذات النقاط الساخنة، أو تغيير توزيع الحمل بحيث لا تتعطل أي بطارية فردية. تصبح ساخنة جدا.

تتطور كيمياء البطارية بسرعة، لذا فإن التصميمات الجديدة ستتطلب أنظمة جديدة لإدارة البطارية.العديد من منتجي البطاريات تشكيل الشراكات التي تجمع الشركات المصنعة ذات الخبرة التكميلية في مجال البطاريات لمواجهة هذا التحدي.

يمكن للمستخدمين أيضًا اتخاذ الخطوات اللازمة لذلك أقصى قدر من السلامة.استخدم معدات ومنافذ الشحن الموصى بها من قبل الشركة المصنعة، وتجنب الشحن الزائد أو ترك السيارة الكهربائية متصلة طوال الليل.افحص البطارية بانتظام بحثًا عن علامات التلف أو ارتفاع درجة الحرارة.ركن السيارة بعيدًا عن المناطق المحيطة شديدة الحرارة أو البرودة – على سبيل المثال، قم بالوقوف في الظل أثناء موجات الحر – لمنع الضغط الحراري على البطارية.

أخيرًا، في حالة حدوث تصادم أو حادث يتعلق بمركبة كهربائية، اتبع بروتوكولات السلامة الخاصة بالشركة المصنعة وافصل البطارية إن أمكن لتقليل مخاطر نشوب حريق أو الصعق الكهربائي.