EN
Abstrak
Pengembungan dalam bateri berbasis litium yang digunakan dalam kenderaan udara tanpa pemandu (UAV) adalah fenomena degradasi kritikal yang secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan dan keselamatan operasi. Kertas ini memberikan pemeriksaan yang diperluas dan sistematik terhadap mekanisme fizikokimia yang menyebabkan pengembungan, membezakan antara tingkah laku pengembungan berkaitan operasi dan penyimpanan, menilai risiko berkaitan, serta mencadangkan strategi pencegahan berasaskan bukti. Dengan mengintegrasikan teori elektrokimia bersama corak penggunaan khusus UAV, kajian ini bertujuan untuk menyokong operasi dron yang lebih selamat serta membimbing penambahbaikan pada sistem pengurusan bateri (BMS) di masa hadapan.
1. Pengenalan
Bateri litium-ion (Li-ion) dan litium-polimer (LiPo) telah menjadi sumber kuasa utama untuk UAV berikutan ketumpatan tenaga yang tinggi, struktur ringan, dan ciri pelepasan yang stabil. Dengan perkembangan aplikasi UAV ke bidang seperti pemetaan udara, pertanian tepat, respons kecemasan, dan pemeriksaan industri, kebolehpercayaan sistem kuasa atas kapal semakin penting.
Walaupun mempunyai kelebihan, bateri berasaskan litium adalah rentan terhadap kerosakan apabila terdedah kepada tekanan haba, hentaman mekanikal, pengecasan yang tidak betul, atau keadaan penyimpanan yang tidak sesuai. Antara pelbagai mod kerosakan, pengembungan bateri—yang dicirikan oleh pengembangan abnormal pada pek sel atau perumahan—telah muncul sebagai isu keselamatan utama. Pengembungan bukan sahaja mengurangkan prestasi bateri, malah meningkatkan risiko kebakaran, pecah, dan pelepasan gas toksik.
Kertas kerja ini memperluaskan penyelidikan sedia ada dengan memberikan analisis terperinci mengenai mekanisme pengembungan, faktor-faktor yang menyumbang, dan langkah-langkah pencegahan yang disesuaikan dengan persekitaran operasi UAV.
2. Pengelasan Fenomena Pengembungan Bateri
2.1 Pengembungan Sementara Semasa Operasi Beban Tinggi
Semasa misi penerbangan yang mencabar, bateri UAV mungkin mengalami peningkatan suhu dengan cepat akibat arus pelepasan tinggi. Aktiviti seperti pecutan pantas, terapung dalam angin kencang, atau membawa beban berat secara ketara meningkatkan pemanasan rintangan dalaman.
Apabila suhu sel melebihi had operasi yang disyorkan (kebiasaannya di atas 40–45°C), tindak balas parasitik mula berlaku. Tindak balas ini termasuk penguraian separa pelarut elektrolit dan pendestabilan antimuka elektrolit pepejal (SEI). Hasil sampingan gas yang terhasil—biasanya CO₂, H₂, dan hidrokarbon berat molekul rendah—terkumpul di dalam perumah bateri yang tertutup.
Bentuk pembengkakan ini biasanya boleh dipulihkan. Apabila bateri menyejuk, tekanan dalaman berkurang dan bekasnya mungkin kembali ke bentuk asal. Walau bagaimanapun, pendedahan berulang terhadap suhu tinggi mempercepatkan kerosakan SEI, meningkatkan rintangan dalaman, dan menyumbang kepada degradasi jangka panjang. Dari semasa ke semasa, pembengkakan sementara mungkin menjadi pembengkakan tidak boleh pulih jika tekanan haba berterusan.
2.2 Pembengkakan Tidak Boleh Pulih Semasa Penyimpanan
Pembengkakan yang berlaku semasa penyimpanan biasanya lebih teruk dan menunjukkan kerosakan dalaman yang kekal. Berbeza dengan pembengkakan berkaitan operasi, yang sering dipengaruhi oleh suhu, pembengkakan berkaitan penyimpanan terutamanya dikaitkan dengan ketidakkukuhan elektrokimia dan degradasi jangka panjang.
2.2.1 Penuaan Akibat Kitaran
Bateri berbasis litium mengalami perubahan struktural dan kimia pada setiap kitaran cas-dicaskan. Selepas ratusan kitaran, lapisan SEI menebal, bahan aktif menjadi terpencil, dan keroporosan elektrod berkurang. Perubahan ini meningkatkan rintangan dalaman dan mendorong tindak balas pembentukan gas.
Apabila bateri hampir mencapai akhir hayat bergunanya, walaupun rangsangan kecil—seperti cas lebih sedikit atau turun naik suhu yang ringan—boleh mencetuskan pengembungan.
2.2.2 Keadaan Penyimpanan yang Tidak Betul
Beberapa faktor berkaitan penyimpanan secara ketara meningkatkan risiko pengembungan:
● Pelepasan dalam (<3.0 V setiap sel) boleh menyebabkan larutan kuprum daripada pengumpul arus anod, membawa kepada litar pintas dalaman.
● Kerosakan mekanikal boleh merosakkan pemisah, membolehkan sentuhan elektrod secara langsung.
● Kemasukan wap air bertindak balas dengan komponen elektrolit, menghasilkan haba dan gas.
● Penyimpanan pada keadaan cas yang melampau mempercepatkan pengoksidaan elektrolit dan ketidaktabilan SEI.
● Penyimpanan suhu tinggi (30°C) meningkatkan kadar tindak balas dan pembentukan gas.
Faktor-faktor ini secara kolektif menyumbang kepada pengembungan tidak boleh diterbalikkan, yang sering disertai dengan kehilangan kapasiti dan ketidakstabilan voltan.
3. Mekanisme Fizikokimia Pengembungan
3.1 Penguraian Elektrolit
Elektrolit berbasis karbonat organik sensitif terhadap haba. Apabila terdedah kepada suhu tinggi atau keadaan lebih voltan, elektrolit ini terurai kepada hasil sampingan berbentuk gas. Penguraian ini merupakan salah satu penyumbang utama kepada pengembungan.
3.2 Pembiakan Litium dan Pembentukan Dendrit
Pengecasan pada suhu rendah atau voltan tinggi boleh menyebabkan litium logam mendapan pada permukaan anod. Pembiakan litium mengurangkan kapasiti dan meningkatkan rintangan dalaman. Lebih penting lagi, litium logam sangat reaktif dan boleh memulakan tindak balas yang membentuk gas dengan pelarut elektrolit.
3.3 Ketidaktentuan Lapisan SEI
Lapisan SEI adalah penting untuk menstabilkan antara muka anod-elektrolit. Walau bagaimanapun, tekanan haba, pengecasan berlebihan, atau ubah bentuk mekanikal boleh menyebabkan retakan SEI. Kerosakan SEI yang berulang menghabiskan elektrolit dan menghasilkan gas, menyumbang kepada pengembungan.
3.4 Degradasi Pemisah
Pemisah adalah membran polimer liang yang mencegah sentuhan langsung antara elektrod. Impak mekanikal, terlalu panas, atau kecacatan pembuatan boleh melemahkan pemisah. Apabila telah terjejas, litar pintas dalaman boleh berlaku, menyebabkan penjanaan haba dan evolusi gas yang pesat.
4. Pengenalan dan Penilaian Bateri yang Mengembang
Pengesanan awal pengembungan adalah penting untuk mencegah kemalangan. Petunjuk utama termasuk:
● Deformasi atau pengembangan yang kelihatan pada perumahan bateri
● Kesukaran memasukkan atau mengeluarkan bateri dari UAV
● Bau kimia yang manis atau pedas
● Masa penerbangan yang berkurang atau output voltan yang tidak stabil
● Suhu yang tinggi semasa pengecasan atau pelepasan
Bateri yang bengkak mesti dikeluarkan dari perkhidmatan serta-merta. Cubaan untuk menikam atau memampatkan bateri bagi melepaskan tekanan dalaman adalah sangat berbahaya dan boleh mencetuskan kebakaran.
5. Risiko Keselamatan Berkaitan Pembengkakan
5.1 Kebakaran dan Larian Terma
Litar pintas dalaman atau tindak balas eksotermik boleh mencetuskan larian terma, satu proses yang mempercepat diri sendiri dan boleh membawa kepada kebakaran.
5.2 Kerosakan Mekanikal
Tekanan dalaman yang berlebihan boleh menyebabkan kesan bateri pecah, membebaskan gas panas dan elektrolit yang mudah terbakar.
5.3 Pelepasan Gas Toksik
Hasil penguraian elektrolit mungkin termasuk wap organik berbahaya yang menimbulkan risiko kepada sistem pernafasan.
5.4 Kerosakan Struktur UAV
Bateri yang bengkak boleh menyebabkan ubah bentuk kompartmen bateri UAV, merosakkan penyambung, atau mengganggu sistem penyejukan.
6. Strategi Pencegahan
6.1 Pengurusan Pengecasan
● Gunakan pengecas yang diluluskan oleh pengilang dan elakkan pengecasan pantas kecuali jika disokong secara eksplisit.
● Jangan tinggalkan bateri tanpa kawalan semasa pengecasan.
● Hentikan pengecasan setelah penuh dan imbangkan voltan sel secara berkala.
● Elakkan pengecasan sebaik sahaja selepas penerbangan; beri masa pendinginan yang mencukupi.
6.2 Kawalan Termal
● Simpan bateri di persekitaran yang sejuk dan kering.
● Elakkan pendedahan UAV kepada cahaya matahari langsung untuk tempoh yang panjang.
● Gunakan bekas yang tahan api atau bertebat termal semasa pengangkutan.
6.3 Pengoptimuman Penyimpanan
● Kekalkan tahap cas antara 40–60% untuk penyimpanan jangka panjang.
● Cas semula setiap 1–3 bulan untuk mengelakkan nyahcas sepenuhnya.
● Simpan bateri secara berasingan untuk mengelakkan penyebaran haba.
6.4 Perlindungan Mekanikal
● Elakkan menjatuhkan atau memampatkan bateri.
● Lindungi daripada kelembapan dan getaran.
● Periksa secara berkala bagi mengesan tanda kehausan atau ubah bentuk.
6.5 Pemantauan Operasi
● Pantau kiraan kitar dan metrik prestasi melalui sistem kawalan penerbangan.
● Gantikan bateri yang menunjukkan kelakuan voltan tidak normal atau penurunan kapasiti.
● Kemas kini firmware secara berkala untuk mendapatkan manfaat daripada algoritma pengurusan bateri yang diperbaiki.
7. kesimpulan
Pengembungan bateri dalam sistem UAV adalah fenomena pelbagai faktor yang disebabkan oleh tekanan haba, degradasi elektrokimia, kerosakan mekanikal, dan amalan penyimpanan yang tidak betul. Walaupun pengembungan sementara semasa operasi boleh diterbalikkan, pengembungan yang diperhatikan semasa penyimpanan biasanya mencerminkan kegagalan dalaman yang tidak boleh diperbaiki.
Dengan mengamalkan amalan pengecasan, penyimpanan, dan pemantauan yang berasaskan sains, pengguna dapat mengurangkan kejadian pengembungan secara ketara serta meningkatkan keselamatan UAV. Walaupun kemajuan dalam kimia bateri dan sistem pengurusan akan terus memperkukuh kebolehpercayaan, kesedaran pengguna kekal sebagai faktor penting dalam mencegah bahaya berkaitan pengembungan.
