لقد حان الوقت: المراحل الست للانتشار الحراري الجامح

الانتشار الحراري الجامح يمثل تحديا معقدا. بغض النظر عن كيمياء الخلية أو بنية العبوة، فإن بطاريات الليثيوم أيون معرضة لخطر التعرض لحدث حراري هارب. على الرغم من عدم وجود حل واحد يناسب الجميع، إلا أن مهندسي البطاريات لا يحتاجون إلى إعادة اختراع العجلة عند تطوير حل لتلبية متطلبات السلامة الهامة. من خلال فهم تعقيدات كل مرحلة من مراحل الهروب الحراري، يمكن للمهندسين اكتشاف الروافع التي يجب سحبها لتحقيق أهداف الأداء والسلامة الخاصة بهم.

ما هو الهروب الحراري؟

تولد بطاريات الليثيوم أيون كمية صغيرة من الحرارة أثناء دورانها. يمكن للتفاعلات الكيميائية داخل الخلايا أن تتسارع عندما يتم تحفيزها بواسطة وسائل ميكانيكية (مثل الخلية المثقوبة)، أو تفاعلات كهربائية (مثل الشحن الزائد)، أو سوء استخدام حراري (على سبيل المثال، ارتفاع درجة الحرارة). ومع ارتفاع درجة الحرارة، تفقد الخلية قدرتها على تبديد الحرارة، مما قد يؤدي إلى اشتعال النيران في الخلية (أي الهروب الحراري). يعد الانفلات الحراري في خلية واحدة بمثابة حدث صيانة، ولكنه يمكن أن ينتشر بسرعة إلى خلايا أخرى - الانتشار الحراري - وهو أمر يتعلق بالسلامة.

الانتشار الحراري على فترات زمنية قصيرة وطويلة

توصي الإرشادات الحالية بأن يتمكن جميع الركاب من الخروج بأمان من السيارة خلال الدقائق الخمس الأولى من اكتشاف حدث الانفلات الحراري. ومع فهم مهندسي البطاريات للتكنولوجيا بشكل أفضل، فمن المحتمل أن تلوح في الأفق لوائح أكثر صرامة وجداول زمنية متزايدة. الهدف النهائي هو إنشاء أنظمة غير قابلة للانتشار، لكن الصناعة أمامها طريق طويل لتقطعه.

على المدى القصير

الدقائق القليلة الأولى من الحدث الحراري الجامح تكون متفجرة وعنيفة. يعد فهم هذه الآليات أمرًا بالغ الأهمية للتخفيف من الانتشار الحراري للوفاء بلوائح الخمس دقائق.

1. التوصيل من خلية إلى أخرى

يحدث التوصيل الخلوي عندما تنتقل الطاقة من الخلية الزناد إلى خلية مجاورة عبر الاتصال وجهًا لوجه. تتم مشاركة الحرارة المتكونة داخل الحقيبة والخلايا المنشورية مع الخليتين المتجاورتين، في حين أن الخلايا الأسطوانية ستتشارك بشكل عام مع ستة جيران (على الرغم من تأثيرات الحافة/الزاوية).

يعتبر الحاجز الفعال من خلية إلى أخرى (C2C) هو خط الدفاع الأول لمكافحة الانتشار الحراري، ويعمل كجدار حماية بين الخلايا المجاورة. يجب أن يكون حاجزًا موصلًا أو عازلًا أو جدار حماية بين الخلايا. أثناء الانفلات الحراري، يتمثل دور حاجز C2C في حماية الخلايا المجاورة من الخلية الزناد. وينبغي أن تكون رقيقة قدر الإمكان، وتوفر مقاومة حرارية عالية بشكل استثنائي أثناء ضغطها، وتقاوم درجات حرارة تصل إلى 850 درجة مئوية أو أعلى.

PyroThin هو حاجز خلية إلى خلية رائد في الصناعة لأنه يوفر الحماية الحرارية والميكانيكية طوال دورة حياة السيارة بأكملها في شكل فائق النحافة وخفيف الوزن. تتيح تقنية الهلام الهوائي الفريدة من نوعها من Aspen PyroThin لتكون بمثابة وسادة ضغط وحاجز للحريق. PyroThin عبارة عن منصة قابلة للضبط يمكن تخصيصها لتلبية متطلبات الاستجابة الحرارية والضغط والسمك.

2. الاحتراق الأولي

تعد إدارة الغاز أمرًا أساسيًا في تصميم تصميم غير قابل للانتشار. يتم إخراج الغاز من الخلية على مرحلتين:

• خلال الاحتراق الأولي جميع المواد المتفاعلة لعملية الاحتراق تأتي من داخل الخلية. عادة ما يبدأ الاحتراق الأولي داخل الخلية ويمكن بعد ذلك أن ينتقل إلى الخارج عندما يتم إخراج المواد المتفاعلة.
• الاحتراق الثانوي يحدث عندما يتم طرد المواد الساخنة الغنية بالوقود الموجودة داخل الخلية وتتفاعل بعنف مع الهواء الموجود في مساحة الرأس فوق الخلايا.

تعد إدارة الغاز أمرًا بالغ الأهمية لتمديد أوقات تأخير الانتشار إلى ما بعد عتبة الخمس دقائق. وما لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح، يمكن للغازات الساخنة أن تنتشر بسرعة فوق الجزء العلوي والجوانب من الوحدات، مما يؤدي إلى تحفيز الخلايا المجاورة مباشرة، وإعاقة جميع آليات الحماية الأخرى.

3. طرد الجسيمات الساخنة

بالإضافة إلى إطلاق الغازات الساخنة من الخلية الهاربة، غالبًا ما يكون هناك طرد عالي السرعة للجسيمات الساخنة بما في ذلك الألومنيوم المنصهر، وقطع البلاستيك المنصهرة أو المتفحمة، وقطع النحاس الصلبة. تجعل هذه الجسيمات مشكلة إدارة الغاز أكثر صعوبة، لأنها تعرض المناطق المحيطة بالحرارة والانفجارات التآكلية المركزة لمدة تصل إلى 60 ثانية.

على المدى الطويل

تحتوي على حدث حراري هارب مع PyroThin يمكن أن يكون مثل اصطياد حيوان بري - فهو يطرح السؤال: "ماذا الآن؟" كل هذه الطاقة الحرارية يجب أن يتم استنزافها، وهناك مسارات متعددة لتنفادها. وكما هو موضح أدناه، يجب التحكم في كل مسار، بحيث لا تتدفق كل الحرارة الموجودة إلى الخلايا المجاورة.

4. تبدأ المسارات الموصلة الثانوية

مع استمرار أحداث الانتشار الحراري لفترة أطول، تصبح مسارات التوصيل الثانوية حرجة وهناك الكثير منها، بما في ذلك:

• غالبًا ما تكون قضبان الناقلات مصنوعة من الألومنيوم أو النحاس، مما يجعلها موصلة للكهرباء بشكل جيد. توفر أشرطة الناقل مسارًا من علامة تبويب خلية واحدة إلى جارتها. ليس للحواجز من خلية إلى أخرى أي تأثير على هذه الجسور الحرارية لأنها لا تمتد إلى ما هو أبعد من شكل الخلية.
• إن لوحة التبريد، سواء كانت نشطة أو غير نشطة، هي بشكل عام عبارة عن ورقة كبيرة من الألومنيوم. إنه يشكل مسارًا ينفق تحت حاجز C2C، متجاوزًا إياه كجسر حراري.

5. الحمل الحراري الطبيعي عبر الفجوات الهوائية

يحدث الحمل الحراري الطبيعي (على عكس الحمل الحراري الناتج عن الضغط أثناء التنفيس النشط) عندما تنتشر منتجات الاحتراق الساخنة عبر الوحدة وحولها، مما يؤدي إلى تسخين الخلايا المجاورة مباشرة.

6. التبريد النشط

يعد التبريد النشط أمرًا صعبًا لأن نظام الإدارة الحرارية للمركبة قد لا يكون دائمًا سليمًا وفعالاً، خاصة في سيناريو ما بعد التصادم. إذا كانت أنظمة التبريد النشطة متاحة، يمكنها - على مدى فترات زمنية طويلة بما فيه الكفاية - امتصاص الحرارة الزائدة ورفضها بأمان. تكون أنظمة الإدارة الحرارية غير فعالة بشكل عام خلال فترة الخمس دقائق الأولى من الحدث الحراري الجامح لأن معدل توليد الحرارة يطغى على قدرة النظام على رفض الحرارة. ومع ذلك، على فترات زمنية أطول (على سبيل المثال، 15، 30، 60 دقيقة)، يكون التبريد النشط جيدًا في إزالة الطاقة الحرارية الزائدة ورفضها، مما يساعد على تخفيف الانتشار الحراري.

عند تطوير استراتيجية منع الانتشار الحراري، يجب على مهندسي البطاريات أن يضعوا جميع المسارات المذكورة أعلاه في الاعتبار. في اختبار الوحدة المصغرة الأخير، PyroThin توقف بشكل متكرر عن الانتشار الحراري الجامح على مستوى خلية إلى أخرى. على الرغم من أن عزل التوصيل من خلية إلى أخرى وإثبات إمكانية إيقاف الانفلات الحراري لا يعدو كونه مجرد قطعة من اللغز، فإنه يسمح بالتركيز على التحول إلى مسارات أخرى.

يقدم Aspen Aerogels تصميمًا هندسيًا قويًا ودعمًا للنماذج الأولية. تعلم المزيد عن PyroThin أو لتحديد موعد لعقد اجتماع مع فريقنا الفني، اتصل بنا اليوم