في مجال الطاقة الجديدة، يُعدّ الأداء الآمن لأنظمة بطاريات الليثيوم أيون أمرًا بالغ الأهمية. ومن بين هذه العوامل، يُعدّ الانفلات الحراري عاملًا رئيسيًا يؤثر على سلامتها. ولمعالجة مخاطر الانفلات الحراري بفعالية، أصبح تصميم الحماية الحرارية وتقنية قمع الانفلات الحراري من أهمّ اتجاهات البحث، والتي يُمكن إجراؤها بشكل رئيسي على مستوى الخلايا والوحدات وحزمة البطارية بأكملها.
1. تصميم الحماية الحرارية بين الخلايا
تتمتع أنواع مختلفة من الخلايا بهياكل حماية حرارية مختلفة:
- البطاريات الأسطوانية: تعتمد على هيكل تغليف، وتُربط الخلايا باستخدام مادة PCM لاصقة موصلة للحرارة. تُمكّن هذه الطريقة من التحكم بفعالية في التوصيل الحراري بين الخلايا ومنع الانتشار الحراري، مما يضمن استقرار عمل الخلايا.
- بطاريات Soft Pack: تُستخدم رغوة الهلام الهوائي وألواح الميكا للتوصيل. تتميز رغوة الهلام الهوائي بعزل حراري ممتاز، بينما تمنع ألواح الميكا انتقال الحرارة بفعالية، مما يوفر حماية حرارية بين الخلايا.
- البطاريات المنشورية: يُدمج الهلام الهوائي مع إطار مطاطي من السيليكون وغشاء بولي إيثيلين تيرفثالات (PET)، وتُضاف إليه حشوات عازلة للحرارة لتشكيل هيكل حماية حرارية. يوفر الهلام الهوائي عزلًا حراريًا، بينما يوفر إطار مطاط السيليكون إحكامًا، كما يمنع غشاء بولي إيثيلين تيرفثالات والحشوات العازلة للحرارة انتشار الحرارة، مما يعزز الاستقرار الحراري للخلايا.
II. تصميم الحماية الحرارية لوحدات البطاريات
الهدف من الحماية الحرارية لوحدات البطاريات هو تقليل حجم الانفلات الحراري. على مستوى الوحدات، تُستخدم مواد وهياكل مثل ألواح الميكا، والألياف الزجاجية، والمطاط السيليكوني الخزفي، والهلام الهوائي في تصميم الحماية الحرارية. هذه المواد قادرة على تأخير أو منع الانتشار الحراري بين الوحدات بفعالية، وتقليل التفاعل الحراري بينها، وتقليل خطر الانفلات الحراري، مما يضمن التشغيل الآمن لوحدات البطاريات.
ثالثًا. تصميم الحماية الحرارية لنظام البطارية بأكمله
- حماية الغلاف العلوي: الغلاف العلوي لحزمة البطارية مصنوع من مواد صفائحية مطلية بطبقة مقاومة للحريق. هذا التصميم يُحسّن من مقاومة الغلاف العلوي للحريق ويمنع انتشار اللهب، مما يوفر حماية أساسية لحزمة البطارية.
- حماية دائرة التبريد: تستخدم دائرة تبريد حزمة البطارية غلافًا واقيًا من أنابيب المياه النايلونية مع شريط سيليكون سيراميكي لمنع تسرب سائل التبريد وتلف العزل. يُعد التشغيل الموثوق لدائرة التبريد أمرًا بالغ الأهمية لإدارة حرارة نظام البطارية، مما يضمن قدرة سائل التبريد على امتصاص الحرارة الناتجة عنها بفعالية.
- حماية التوصيلات الكهربائية: يُستخدم شريط الميكا وشريط السيليكون الخزفي لحماية التوصيلات الكهربائية، مثل موصلات النحاس في علبة البطارية، لمنع ثقب الغلاف بفعل الأقواس الكهربائية والتسبب في نشوب حريق. كما يمنع هذا الحماية تلف العزل الناتج عن تسرب السوائل، مما يضمن سلامة التوصيلات الكهربائية.
رابعًا. تقنية قمع الانفلات الحراري لنظام البطارية
- نظام التبريد الطارئ: تُستخدم دائرة تبريد المركبة بأكملها، ويقوم نظام مكون من خزان مياه ومضخة مياه، وما إلى ذلك، بتبريد الخلايا في حالات الطوارئ ضد الانفلات الحراري. ويشارك نظام تبريد الهواء أيضًا في هذه العملية. ومن خلال التبريد الدائري، يمكن خفض درجة حرارة الخلايا بسرعة، مما يُكبح بفعالية تطور الانفلات الحراري. تُعد الحماية الحرارية الجيدة بين الخلايا شرطًا أساسيًا لتطبيق التبريد الطارئ، مما يُتيح مزيدًا من الوقت لنظام التبريد.
- نظام إطفاء الحرائق: في حالات التسرب الحراري، تُستخدم أنواع مختلفة من مواد إطفاء الحرائق. وتشمل هذه المواد الغازية مثل هيبتافلورو بروبان، والمواد السائلة مثل بيرفلورو أسيتون، والمواد الصلبة مثل مسحوق الهلام الهوائي وأملاح البوتاسيوم. يمكن لهذه المواد أن تلعب دورًا فعالًا في إطفاء الحرائق وتقليل أضرار التسرب الحراري، وذلك وفقًا لحالة التسرب الحراري.
في الختام، يتطلب تصميم الحماية الحرارية لأنظمة بطاريات الليثيوم أيون مراعاة شاملة لمستويات متعددة، مثل الخلايا والوحدات وحزمة البطارية بأكملها، وإجراء تصميم مُستهدف بناءً على خصائص ومسارات انتشار الانفلات الحراري للخلايا. إن الجمع بين تصميم الحماية الحرارية المعقول وتقنية قمع الانفلات الحراري يُمكن أن يُسيطر بفعالية على نطاق وتأثير الانفلات الحراري، مما يوفر ضمانًا قويًا للتشغيل الآمن لأنظمة بطاريات الليثيوم أيون، ويعزز التطور السليم لصناعة الطاقة الجديدة.
