لماذا تنتفخ البطارية؟

مجرد

التورم في البطاريات القائمة على الليثيوم المستخدمة في المركبات الجوية غير المأهولة (UAVs) هو ظاهرة تدهور حرجة تؤثر بشكل مباشر على الموثوقية التشغيلية والسلامة. يقدم هذا البحث فحصًا موسعًا ومنهجيًا للآليات الفيزيائية والكيميائية المسؤولة عن التورم، ويُميز بين سلوكيات التورم المرتبطة بالتشغيل والتخزين، ويوّثق المخاطر المرتبطة، ويقترح استراتيجيات وقائية مبنية على الأدلة. ومن خلال دمج النظرية الكهروكيميائية مع أنماط الاستخدام الخاصة بالطائرات المُسيرة، يهدف هذا الدراسة إلى دعم تشغيل الطائرات المُسيرة بأمان أكبر وإلى إرشاد التحسينات المستقبلية في أنظمة إدارة البطارية (BMS).

1. مقدمة

أصبحت بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) وليثيوم بوليمر (LiPo) المصادر السائدة للطاقة في الطائرات المُسيرة بسبب كثافتها العالية للطاقة، وهيكلها الخفيف الوزن، وخصائص التفريغ المستقرة. ومع توسع تطبيقات الطائرات المُسيرة في مجالات مثل رسم الخرائط الجوية، والزراعة الدقيقة، والاستجابة للطوارئ، والتفتيش الصناعي، أصبحت موثوقية أنظمة الطاقة المحمولة أكثر أهمية بشكل متزايد.
على الرغم من ميزاتها، فإن البطاريات القائمة على الليثيوم عرضة للتدهور عند تعرضها للإجهاد الحراري، أو الصدمات الميكانيكية، أو الشحن غير السليم، أو ظروف التخزين غير المناسبة. ومن بين أشكال التدهور المختلفة، برز انتفاخ البطارية—الذي يتميز بتوسع غير طبيعي في كيس الخلية أو الغلاف—كمشكلة رئيسية تتعلق بالسلامة. ويقلل الانتفاخ ليس فقط من أداء البطارية، بل يزيد أيضًا من خطر الاشتعال، أو الانفجار، أو انبعاث غازات سامة.
توسع هذه الورقة البحثية الأبحاث الحالية من خلال تقديم تحليل مفصل لآليات التورم، والعوامل المساهمة، والتدابير الوقائية المصممة خصيصًا لبيئات تشغيل الطائرات المُسيرة (UAV).

2. تصنيف ظواهر تورم البطاريات

2.1 التورم المؤقت أثناء التشغيل عالي الحمل

أثناء المهام الجوية المكثفة، قد تتعرض بطاريات الطائرات المُسيرة لزيادة سريعة في درجة الحرارة بسبب التيارات العالية الناتجة عن التفريغ. تؤدي أنشطة مثل التسارع السريع، أو الثبات في رياح قوية، أو حمل أحمال ثقيلة إلى زيادة كبيرة في تسخين المقاومة الداخلية.
عندما تتجاوز درجة حرارة الخلية العتبة التشغيلية الموصى بها (عادةً فوق 40–45°م)، تبدأ التفاعلات الطفيفة بالحدوث. وتشمل هذه التفاعلات التحلل الجزئي لمذيبات الإلكتروليت وعدم استقرار طبقة ما بين الإلكتروليت الصلبة (SEI). وتتراكم المنتجات الغازية الناتجة — مثل ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والهيدروجين (H₂) والهيدروكربونات منخفضة الوزن الجزيئي — داخل غلاف البطارية المغلق.

هذا النوع من الانتفاخ يكون عادةً قابلاً للعكس. بمجرد تبريد البطارية، ينخفض الضغط الداخلي وقد تعود الغلاف الخارجي إلى شكله الأصلي. ومع ذلك، فإن التعرض المتكرر لدرجات الحرارة العالية يؤدي إلى تسريع تدهور طبقة SEI، ويزيد من المقاومة الداخلية، ويشجع على التدهور طويل الأمد. مع مرور الوقت، قد يتطور الانتفاخ المؤقت إلى انتفاخ لا رجعة فيه إذا استمر الإجهاد الحراري.

2.2 الانتفاخ غير القابل للعكس أثناء التخزين

الانتفاخ الذي يحدث أثناء التخزين يكون عادةً أكثر حدة ويُشير إلى ضرر داخلي دائم. وعلى عكس الانتفاخ التشغيلي الذي يكون غالبًا مدفوعًا بعوامل حرارية، فإن الانتفاخ المرتبط بالتخزين يرتبط في المقام الأول بعدم الاستقرار الكهروكيميائي والتدهور طويل الأمد.

2.2.1 التقدم في العمر الناتج عن الدورات

تتعرض البطاريات القائمة على الليثيوم لتغيرات هيكلية وكيميائية مع كل دورة شحن وتفريغ. وعلى مدى مئات الدورات، يزداد سمك طبقة SEI، وتُعزل المواد الفعالة، ويقل مسام الأنود. وهذه التغيرات تؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية وتحفيز التفاعلات المنتجة للغاز.
مع اقتراب البطارية من نهاية عمرها الافتراضي، يمكن أن تؤدي عوامل إجهاد بسيطة—مثل الشحن الزائد الطفيف أو التقلبات الحرارية البسيطة—إلى حدوث انتفاخ.

2.2.2 ظروف التخزين غير السليمة

تزيد عدة عوامل مرتبطة بالتخزين من خطر الانتفاخ بشكل كبير:
● التفريغ العميق (<3.0 فولت لكل خلية) قد يؤدي إلى ذوبان النحاس من جامع التيار في المصعد، مما يسبب دوائر قصيرة داخلية.
● يمكن أن يتسبب الضرر الميكانيكي في تلف الفاصل، ما يسمح بالتلامس المباشر بين الأقطاب.
● تسرب الرطوبة يتفاعل مع مكونات الإلكتروليت، مولداً حرارة وغازات.
● التخزين عند حالة شحن قصوى يسرّع عملية أكسدة الإلكتروليت وعدم استقرار طبقة SEI.
● التخزين عند درجات حرارة عالية (30°م) يزيد من معدلات التفاعل وتكوين الغازات.
تساهم هذه العوامل مجتمعةً في تورّم لا يمكن عكسه، وغالبًا ما يصاحبه فقدان للسعة وعدم استقرار في الجهد.

3. الآليات الفيزيائية والكيميائية للتورّم

3.1 تحلل الإلكتروليت

إن إلكتروليتات الكربونات العضوية حساسة حراريًا. وعند تعريضها لدرجات حرارة عالية أو ظروف فائقة الجهد، فإنها تتحلل إلى منتجات غازية ثانوية. ويُعد هذا التحلل أحد المسببات الرئيسية للتورّم.

3.2 ترسيب الليثيوم وتكوّن الشوائب (الدندرتات)

يمكن أن يؤدي الشحن عند درجات حرارة منخفضة أو جهود عالية إلى ترسيب الليثيوم المعدني على سطح المصعد. ويؤدي ترسيب الليثيوم إلى تقليل السعة وزيادة المقاومة الداخلية. والأهم من ذلك، أن الليثيوم المعدني شديد التفاعل ويمكن أن يبدأ تفاعلات تكوين الغاز مع مذيبات الإلكتروليت.

3.3 عدم استقرار طبقة SEI

تُعد طبقة SEI ضرورية لاستقرار واجهة الأنود-الإلكتروليت. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الإجهادات الحرارية أو الشحن الزائد أو التشوهات الميكانيكية إلى تشقق طبقة SEI. ويستهلك تكرار انهيار طبقة SEI الإلكتروليت ويولد غازًا، مما يسهم في الانتفاخ.

3.4 تدهور الفاصل

الفاصل هو غشاء بوليمر مسامي يمنع التلامس المباشر بين الأقطاب. وقد يؤدي التأثير الميكانيكي أو ارتفاع درجة الحرارة أو العيوب التصنيعية إلى إضعاف الفاصل. وبمجرد تضرره، يمكن أن تحدث دوائر قصر داخلية، مما يؤدي إلى توليد حرارة سريعة وانطلاق الغاز.

4. تحديد البطاريات المنتفخة وتقييمها

يُعد الكشف المبكر عن الانتفاخ أمرًا بالغ الأهمية لمنع وقوع الحوادث. وتشمل المؤشرات الرئيسية ما يلي:
● تشوه مرئي أو تمدد في غلاف البطارية
● صعوبة إدخال البطارية إلى الطائرة المُسيرة أو إخراجها منها
● روائح كيميائية حلوة أو نفاذة
● تقليل زمن الطيران أو خرج جهد غير مستقر
● ارتفاع درجة الحرارة أثناء الشحن أو التفريغ
يجب إزالة البطاريات المنتفخة من الخدمة فورًا. تُعد محاولات ثقب البطارية أو ضغطها لإطلاق الضغط الداخلي أمرًا شديد الخطورة وقد يؤدي إلى الاشتعال.

5. المخاطر الأمنية المرتبطة بالانتفاخ

5.1 الحريق والاندفاع الحراري
قد تؤدي الدوائر القصيرة الداخلية أو التفاعلات الطاردة للحرارة إلى حدوث اندفاع حراري، وهو عملية ذاتية التسارع يمكن أن تؤدي إلى اشتعال النيران.

5.2 الانفجار الميكانيكي
قد يتسبب الضغط الداخلي الزائد في تمزق غلاف البطارية، مما يؤدي إلى إطلاق غازات ساخنة ومحفز قابل للاشتعال.

5.3 انبعاث الغازات السامة
قد تشمل منتجات تحلل المحول عوامل عضوية ضارة تشكل مخاطر على الجهاز التنفسي.

5.4 أضرار هيكلية للطائرات المُسيرة (UAV)
قد يؤدي انتفاخ البطارية إلى تشوه حجرة بطارية الطائرة المُسيرة، أو تلف الموصلات، أو التدخل في أنظمة التبريد.

6. استراتيجيات وقائية

6.1 إدارة الشحن
● استخدم شواحن معتمدة من الشركة المصنعة وتجنب الشحن السريع ما لم تكن مدعومة بشكل صريح.
● لا تترك البطاريات دون رقابة أثناء الشحن.
● أوقف الشحن بمجرد اكتماله وقم بموازنة فولتية الخلايا دوريًا.
● تجنب الشحن مباشرة بعد الطيران؛ اسمح بوقت كافٍ للتبريد.

6.2 التحكم الحراري
● احفظ البطاريات في بيئات باردة وجافة.
● تجنب تعريض الطائرات المُسيرة لأشعة الشمس المباشرة لفترات طويلة.
● استخدم حاويات مقاومة للحريق أو معزولة حراريًا أثناء النقل.

6.3 تحسين التخزين
● حافظ على مستوى شحن يتراوح بين 40–60% للتخزين لفترات طويلة.
● قم بإعادة الشحن كل 1–3 أشهر لمنع التفريغ العميق.
● احفظ البطاريات بشكل منفصل لمنع انتقال الحرارة.

6.4 الحماية الميكانيكية
● تجنب إسقاط البطارية أو ضغطها.
● احمِها من الرطوبة والاهتزاز.
● قم بالفحص بانتظام للبحث عن علامات البلى أو التشوه.

6.5 مراقبة التشغيل
● تتبع عدد الدورات ومقاييس الأداء من خلال أنظمة التحكم في الطيران.
● استبدال البطاريات التي تُظهر سلوكًا غير طبيعي في الجهد أو انخفاض السعة.
● الحفاظ على تحديث البرامج الثابتة للاستفادة من خوارزميات إدارة البطارية المحسّنة.

7. الخاتمة

انتفاخ البطارية في أنظمة الطائرات المُسيرة هو ظاهرة متعددة العوامل تنتج عن الإجهاد الحراري، والتدهور الكهروكيميائي، والأضرار الميكانيكية، وممارسات التخزين غير السليمة. ورغم أن الانتفاخ المؤقت أثناء التشغيل قد يكون قابلاً للانعكاس، فإن الانتفاخ الملحوظ أثناء التخزين يعكس عادةً فشلًا داخليًا لا رجعة فيه.
من خلال اعتماد ممارسات شحن وتخزين ومراقبة مبنية على أسس علمية، يمكن للمستخدمين تقليل حالات الانتفاخ بشكل كبير وتعزيز سلامة الطائرات المُسيرة. وعلى الرغم من أن التطورات في كيمياء البطاريات وأنظمة الإدارة ستواصل تحسين الموثوقية، تظل وعي المستخدمين عاملًا حاسمًا في الوقاية من المخاطر المرتبطة بالانتفاخ.