تحمل الشحن الزائد لبطاريات الفوسفات الحديدية الليثيوم في بيئة درجة حرارة عالية

تتميز بطاريات الفوسfat الحديد الليثيوم بمزايا مثل كثافة طاقة عالية، وأمان عالٍ، ومقاومة للحرارة العالية، وتكلفة منخفضة، وعدد دورة كبير، وعمر طويل، وهي تُستخدم على نطاق واسع في مجالات المركبات الكهربائية والتخزين الطاقي. وللوفاء باحتياجات التطبيق الفعلية، يتم عادةً توصيل عدد كبير من الخلايا单品 بشكل متسلسل أو متوازي لتكوين حزمة بطارية. ومع ذلك، فإن هذا النظام ذي الطاقة العالية قد يؤدي إلى عواقب أكثر خطورة عند حدوث انجراف حراري.

يعتبر الشحن الزائد والاحترار المفرط من بين العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى هروب الحرارة في البطارية، ولكن عادةً ما يتم إجراء اختبار لعامل واحد فقط، ويُستخدم ما إذا كانت تشتعل أو تنفجر كمعيار للنجاح أو الفشل. في السيناريو الفعلي لهروب الحرارة في البطارية، قد يكون العامل الوحيد هو الدافع في المرحلة المبكرة، لكن مع تطور عملية هروب الحرارة، ستصبح تدريجياً حالة حيث تتداخل وتتفاعل عدة عوامل، مما يجعل نتائج هروب الحرارة أكثر خطورة. من المعاني العملية دراسة تأثير التفاعل بين بطاريات أيون الليثيوم فوسفات الحديد تحت مختلف الظروف السيئة. يُعتبر الشحن الزائد أحد الأسباب الرئيسية لاشتعال البطاريات. معيار الشحن الزائد المبكر للبطاريات الاستهلاكية كان 3C/4.8V. بما أن بطاريات الاستهلاك عادةً ما تُستخدم بشكل منفرد ومع تقدم تقنية البطاريات، تم تقليل هروب الحرارة الناتج عن الشحن الزائد بشكل كبير، وبالتالي تم تخفيف متطلبات الشحن الزائد في المعايير الحالية بشكل ملحوظ. غالبًا ما تُحاكي اختبارات الاحترار الذائد ذوبان الغشاء أو تحلل فيلم واجهة الكهروليتي الصلبة (SEI) عند درجة حرارة 130°C أو 85°C.

مشكلة السلامة الخاصة بالبطاريات تكمن بشكل أساسي في الخصائص الحرارية للبطاريات. درس كونغ د.ب. وزملاؤه الخصائص الحرارية لبطاريات أيون الليثيوم فوسفات الحديد بعد التسخين المحلي في مواقع مختلفة، ووجدوا أن تسخين قاعدة البطارية من المرجح أن يسبب الهروب الحراري أكثر من تسخين المواقع الأخرى. كما درس ليو بي.ج. وزملاؤه تأثير طريقتين لإساءة الاستخدام، الإفراط في الحرارة والإفراط في الشحن، على الهروب الحراري لبطاريات أيون الليثيوم فوسفات الحديد. أظهرت النتائج أن مخاطر الحريق الناتجة عن الإفراط في الشحن أعلى مقارنة بالإفراط في الحرارة، وأن البطارية تحترق بشكل أكثر عُنفًا أثناء الاختبار. كما أن الهروب الحراري له علاقة كبيرة بحالة الشحن (SOC) للبطارية. على سبيل المثال، استخدم ليو بي.ج. وزملاؤه لوحة تسخين لمحاكاة عملية الهروب الحراري التي تُحفز بسبب إساءة استخدام البطاريات المجاورة في الوحدة، ووجدوا أن درجة حرارة التحفيز عند 50% SOC أعلى من تلك الموجودة في بطاريات 100% SOC. أجرى وانغ ك. وزملاؤه اختبار الإفراط في الشحن على بطاريات أيون الليثيوم فوسفات الحديد عند 0.5C، وأثبتوا أن الغازات المنبعثة خلال هروب حراري البطارية كانت أساسًا هيدروجين (H2)، أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO2)، بالإضافة إلى مختلف الألكانات.

الاتصال المتسلسل والموازي الكبير للبطاريات يزيد بشكل كبير من احتمالية مخاطر الشحن الزائد والتفريغ الزائد، لأن إذا كانت بطارية واحدة بها مشكلة، فإن انتشار الحرارة قد يتسبب في اشتعال وانفجار مجموعة البطاريات بأكملها. ليس هذا فقط، بل أن الغاز القابل للاشتعال الناتج عن المزج مع الهواء يمكن أن يتسبب في انفجار أكثر خطورة.

من أجل تحسين سلامة البطاريات في السيناريوهات التطبيقية الفعلية، من الضروري تعزيز تحمل البطارية أمام مختلف أنواع الاستخدام السيئ، وهو ما أصبح محور اهتمام الأوساط الأكاديمية والصناعية.

بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام البطارية، يجب تجنب شحنها بعد نفاد طاقتها تمامًا، حيث إن ذلك قد يؤدي إلى أضرار غير قابلة للإصلاح للبطارية.

عندما تكون بطارية فوسفات الحديد الليثيوم مشحونة بالكامل، يجب إيقاف الشحن فورًا، وإلا سيتم شحن البطارية بشكل زائد، مما يؤدي إلى اختصار عمر البطارية أو حتى حدوث مواقف خطرة مثل القصارات الكهربائية.

استخدام البطارية في بيئة ذات درجة حرارة عالية سيؤثر أيضًا على أدائها.

طريقة التفريغ بالتيار المستمر تشير إلى التحكم في حجم تيار التفريغ بحيث تطلق البطارية الطاقة بمعدل ثابت. وهي مناسبة لتفريغ سريع لبطاريات الفوسفات الحديد الليثيوم.