בטיחות של סוללת ליתיום

לסוללות ליתיום יש את היתרונות של ניידות וטעינה מהירה, אז למה סוללות עופרת וסוללות משניות אחרות עדיין מסתובבות בשוק?
בנוסף לבעיות של עלות ותחומי יישום שונים, סיבה נוספת היא אבטחה.
ליתיום היא המתכת הפעילה ביותר בעולם.מכיוון שהמאפיינים הכימיים שלה פעילים מדי, כאשר מתכת הליתיום נחשפת לאוויר, תהיה לה תגובת חמצון עזה עם חמצן, ולכן היא מועדת לפיצוץ, בעירה ותופעות אחרות.בנוסף, תגובת חיזור תתרחש גם בתוך סוללת הליתיום במהלך הטעינה והפריקה.פיצוץ ובערה ספונטנית נגרמים בעיקר מהצטברות, דיפוזיה ושחרור של סוללת ליתיום לאחר חימום.בקיצור, סוללות ליתיום ייצרו חום רב בתהליך הטעינה והפריקה, מה שיוביל לעליית הטמפרטורה הפנימית של הסוללה ולטמפרטורה לא אחידה בין סוללות בודדות, ובכך יגרום לביצועים לא יציבים של הסוללה.
התנהגויות לא בטוחות של סוללת ליתיום-יון תרמית בורחת (כולל טעינת יתר ופריקת יתר של הסוללה, טעינה ופריקה מהירה, קצר חשמלי, תנאי שימוש מכאניים, הלם תרמי בטמפרטורה גבוהה וכו') עשויות לעורר תגובות לוואי מסוכנות בתוך הסוללה וליצור חום, פגיעה ישירה בסרט הפסיבי על האלקטרודה השלילית ומשטח האלקטרודה החיובית.
ישנן סיבות רבות להפעלת תאונות בריחה תרמיות של סוללות ליתיום יון.על פי מאפייני ההפעלה, ניתן לחלק אותו להפעלת התעללות מכנית, הפעלת התעללות חשמלית והפעלת התעללות תרמית.התעללות מכנית: מתייחס לדיקור, אקסטרוזיה ופגיעת חפצים כבדים שנגרמו כתוצאה מהתנגשות ברכב;שימוש לרעה חשמלי: נגרמת בדרך כלל על ידי ניהול מתח לא תקין או כשל ברכיבים חשמליים, כולל קצר חשמלי, טעינת יתר ופריקת יתר;שימוש לרעה בחום: נגרם מחימום יתר שנגרם מניהול טמפרטורה לא תקין.

שלוש שיטות ההפעלה הללו קשורות זו בזו.שימוש לרעה מכני יגרום בדרך כלל לעיוות או קרע של דיאפרגמת הסוללה, וכתוצאה מכך מגע ישיר בין הקטבים החיובי והשלילי של הסוללה וקצר חשמלי, וכתוצאה מכך להתעללות חשמלית;עם זאת, במצב של שימוש לרעה בחשמל, ייצור החום כמו חום ג'ול עולה, מה שגורם לעלייה בטמפרטורת הסוללה, אשר מתפתח לניצול לרעה בחום, גורם נוסף להפעלת תגובת צד יצירת החום של השרשרת בתוך הסוללה, ולבסוף מוביל להתרחשות של בורח חום הסוללה.
בריחת סוללה תרמית נגרמת מהעובדה שקצב ייצור החום של הסוללה גבוה בהרבה מקצב פיזור החום, והחום נצבר בכמות גדולה אך לא מתפזר בזמן.במהותו, "בריחה תרמית" היא תהליך מחזור משוב אנרגיה חיובי: הטמפרטורה העולה תגרום למערכת להתחמם, והטמפרטורה תעלה לאחר שהמערכת תתחמם, מה שבתורו יגרום למערכת להתחמם.
תהליך הבריחה התרמית: כאשר הטמפרטורה הפנימית של הסוללה עולה, סרט ה-SEI על פני סרט ה-SEI מתפרק בטמפרטורה גבוהה, יון הליתיום המוטבע בגרפיט יגיב עם האלקטרוליט והקלסר, וידחף עוד יותר את טמפרטורת הסוללה למעלה עד 150 ℃, ותגובה אקזותרמית אלימה חדשה תתרחש בטמפרטורה זו.כאשר טמפרטורת הסוללה מגיעה מעל 200 ℃, החומר הקתודה מתפרק, משחרר כמות גדולה של חום וגז, והסוללה מתחילה לבלוט ומתחממת ללא הרף.האנודה המוטבעת בליתיום החלה להגיב עם האלקטרוליט ב-250-350 ℃.החומר הקתודי הטעון מתחיל לעבור תגובת פירוק אלימה, והאלקטרוליט עובר תגובת חמצון אלימה, משחררת כמות גדולה של חום, יוצר טמפרטורה גבוהה וכמות גדולה של גז, מה שגורם לבעירה ופיצוץ של הסוללה.
הבעיה של משקעי ליתיום דנדריט במהלך טעינת יתר: לאחר טעינת סוללת הליתיום קובלט במלואה, נותרת כמות גדולה של יוני ליתיום באלקטרודה החיובית.כלומר, הקתודה לא יכולה להחזיק יותר יוני ליתיום המחוברים לקתודה, אבל במצב טעון יתר, יוני הליתיום העודפים על הקתודה עדיין ישחו אל הקתודה.מכיוון שלא ניתן להכיל אותם במלואם, ליתיום מתכת ייווצר על הקתודה.מכיוון שמתכת זו ליתיום היא גביש דנדריטי, היא נקראת דנדריט.אם הדנדריט ארוך מדי, קל לנקב את הסרעפת, מה שגורם לקצר פנימי.מכיוון שהמרכיב העיקרי של האלקטרוליט הוא קרבונט, נקודת ההצתה ונקודת הרתיחה שלו נמוכות, ולכן הוא ישרף או אפילו יתפוצץ בטמפרטורה גבוהה.

אם מדובר בסוללת ליתיום פולימרית, האלקטרוליט הוא קולואידי, הנוטה לבעירה אלימה יותר.על מנת לפתור בעיה זו, מדענים מנסים להחליף חומרים קתודיים בטוחים יותר.לחומר של סוללת ליתיום מנגנט יש יתרונות מסוימים.זה יכול להבטיח שיון הליתיום של האלקטרודה החיובית יכול להיות מוטבע לחלוטין בחור הפחמן של האלקטרודה השלילית במצב המטען המלא, במקום שיהיו שאריות מסוימות באלקטרודה החיובית כמו ליתיום קובלט, מה שבמידה מסוימת נמנע מהיווצרות של דנדריטים.המבנה היציב של ליתיום מנגנט הופך את ביצועי החמצון שלו לנמוכים בהרבה מאלו של ליתיום קובלט.גם אם יש קצר חשמלי חיצוני (ולא קצר חשמלי פנימי), זה בעצם יכול למנוע בעירה ופיצוץ שנגרמו על ידי משקעי מתכת ליתיום.לליתיום ברזל פוספט יש יציבות תרמית גבוהה יותר ויכולת חמצון נמוכה יותר של אלקטרוליט, ולכן יש לו בטיחות גבוהה.
הנחתת ההזדקנות של סוללת ליתיום יון באה לידי ביטוי בהפחתת קיבולת ועליית התנגדות פנימית, ומנגנון הנחתה של הזדקנות פנימית שלה כולל איבוד חומרים פעילים חיוביים ושליליים ואובדן יוני ליתיום זמינים.כאשר החומר הקתודה מזדקן ומתפורר, והקיבולת של הקתודה אינה מספקת, סביר יותר להתרחש הסיכון להתפתחות ליתיום מהקתודה.במצב של פריקת יתר, הפוטנציאל של קתודה לליתיום יעלה למעל 3V, שהוא גבוה מפוטנציאל הפירוק של נחושת, מה שגורם לפירוק קולט הנחושת.יוני נחושת מומסים יתקעו על פני הקתודה ויצרו דנדריטים נחושת.דנדריטים נחושת יעברו דרך הסרעפת, ויגרום לקצר פנימי, אשר משפיע באופן רציני על ביצועי הבטיחות של הסוללה.
בנוסף, התנגדות טעינת היתר של סוללות מזדקנות תקטן במידה מסוימת, בעיקר עקב עליית ההתנגדות הפנימית וירידה של חומרים פעילים חיוביים ושליליים, וכתוצאה מכך לעלייה בחום הג'אול בתהליך טעינת יתר של סוללות.בפחות טעינת יתר, תגובות לוואי עלולות להיות מופעלות, ולגרום לבריחה תרמית של סוללות.מבחינת יציבות תרמית, אבולוציה של ליתיום מהקתודה תוביל לירידה חדה ביציבות התרמית של הסוללה.
במילה אחת, ביצועי הבטיחות של המצבר המיושן יפחתו מאוד, מה שיסכן מאוד את בטיחות המצבר.הפתרון הנפוץ ביותר הוא לצייד את מערכת אחסון האנרגיה של הסוללה במערכת ניהול סוללות (BMS).לדוגמה, סוללות 8000 18650 המשמשות ב-Tesla Model S יכולות לממש ניטור בזמן אמת של פרמטרים פיזיים שונים של הסוללה, להעריך את מצב השימוש בסוללה ולבצע אבחון מקוון ואזהרה מוקדמת באמצעות מערכת ניהול הסוללה שלה.במקביל, הוא יכול גם לבצע בקרת פריקה וטעינה מוקדמת, ניהול איזון סוללה וניהול תרמי.