ब्याट्री किन सुनिन्छ?

सारांश

मानवरहित एरियल वाहन (UAV) मा प्रयोग हुने लिथियम-आधारित ब्याट्रीहरूमा सुजन एक महत्वपूर्ण क्षय प्रक्रिया हो जसले संचालनको विश्वसनीयता र सुरक्षालाई सीधा प्रभावित गर्छ। यस पत्रले सुजनका लागि जिम्मेवार भौतिक-रासायनिक तंत्रहरूको विस्तारित र व्यवस्थित अध्ययन प्रस्तुत गर्दछ, संचालन र भण्डारण-सम्बन्धित सुजन व्यवहारहरू बीचको भिन्नता उल्लेख गर्दछ, सम्बन्धित जोखिमहरूको मूल्याङ्कन गर्दछ र प्रमाण-आधारित रोकथाम रणनीतिहरू प्रस्ताव गर्दछ। इलेक्ट्रोकेमिकल सिद्धान्तलाई UAV-विशिष्ट प्रयोग प्रतिमानहरूसँग एकीकृत गरेर, यो अध्ययनले ड्रोनको सुरक्षित संचालनलाई समर्थन गर्न र ब्याट्री प्रबन्धन प्रणाली (BMS) मा भविष्यका सुधारहरूलाई जानकारी दिने उद्देश्य राख्दछ।

1. परिचय

लिथियम-आयन (Li-ion) र लिथियम-पोलिमर (LiPo) ब्याट्रीहरू उच्च ऊर्जा घनत्व, हल्का संरचना र स्थिर डिस्चार्ज विशेषताहरूका कारण UAV का लागि प्रमुख बिजुली स्रोतहरू बनेका छन्। एरियल म्यापिङ, सटीक कृषि, आपतकालीन प्रतिक्रिया, र औद्योगिक निरीक्षण जस्ता क्षेत्रहरूमा UAV अनुप्रयोगहरू विस्तार भएसँगै, बोर्डमा रहेका बिजुली प्रणालीहरूको विश्वसनीयता अत्यधिक महत्त्वपूर्ण बनेको छ।
आफ्ना फाइदाहरूका बावजुद, लिथियम-आधारित ब्याट्रीहरूलाई तापक्रमको तनाव, यांत्रिक प्रभाव, अनुचित चार्जिङ, वा अनुपयुक्त भण्डारण स्थितिमा राख्दा क्षरणको सम्भावना हुन्छ। विभिन्न क्षरण मोडहरूमध्ये, ब्याट्री स्वेलिङ—जसलाई सेल पाउच वा केसिङको असामान्य विस्तारले चिनिन्छ—सुरक्षा सम्बन्धी प्रमुख चिन्ताको विषय बनेको छ। स्वेलिङले ब्याट्रीको प्रदर्शन घटाउने मात्र होइन, तर आगो लाग्ने, फुट्ने, र विषालु ग्याँस निस्कने जोखिम पनि बढाउँछ।
यो पत्रले यूएभी संचालन वातावरणका लागि अनुकूलित स्वेलिङ्गका तंत्र, योगदान गर्ने कारकहरू र रोकथामका उपायहरूको विस्तृत विश्लेषण प्रस्तुत गरेर अवस्थित अनुसन्धानलाई विस्तार गर्दछ।

ब्याट्री स्वेलिङ्ग घटनाको वर्गीकरण

उच्च-लोड संचालनको समयमा हुने अस्थायी स्वेलिङ्ग

माग भएका उडान मिशनको समयमा, उच्च डिस्चार्ज करेन्टका कारण यूएभी ब्याट्रीहरूमा तापक्रम तीव्र रूपमा बढ्न सक्छ। तीव्र त्वरण, बलियो हावामा होभरिङ्ग, वा भारी पेलोड ढोएर लैजाने गतिविधिहरूले आन्तरिक प्रतिरोध हीटिङ्गमा महत्वपूर्ण वृद्धि गर्दछ।
जब सेलको तापक्रम सिफारिस गरिएको संचालन सीमा (सामान्यतया 40–45°C भन्दा माथि) लाई बढी पुग्छ, सहायक प्रतिक्रियाहरू घट्न थाल्छन्। यी प्रतिक्रियाहरूमा इलेक्ट्रोलाइट सॉल्भेन्टहरूको आंशिक विघटन र सोलिड इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) को अस्थिरता समावेश छ। नतिजामा उत्पादित ग्याँस उप-उत्पादहरू—सामान्यतया CO₂, H₂, र कम-आणविक-तौल हाइड्रोकार्बनहरू—सील गरिएको ब्याट्री आवरणको भित्र एकत्र हुन्छन्।

यस्तो प्रकारको सुजन सामान्यतया उल्टिन सकिने हुन्छ। एकपटक ब्याट्री चिसो भएपछि, आन्तरिक दबाव कम हुन्छ र केसिङ मूल आकारमा फर्कन सक्छ। तर, उच्च तापक्रममा बारम्बार जोखिमले SEI विघटनलाई तीव्र बनाउँछ, आन्तरिक प्रतिरोध बढाउँछ र दीर्घकालीन क्षयलाई बढावा दिन्छ। समयको साथ, यदि तापीय तनाव जारी रहन्छ भने, अस्थायी सुजन स्थायी सुजनमा परिणत हुन सक्छ।

२.२ भण्डारणको क्रममा स्थायी सुजन

भण्डारणको क्रममा हुने सुजन सामान्यतया धेरै गम्भीर हुन्छ र यसले स्थायी आन्तरिक क्षतिको संकेत गर्छ। तापक्रमले चल्ने सञ्चालनको सुजनको विपरीत, भण्डारणसँग सम्बन्धित सुजन मुख्य रूपमा इलेक्ट्रोकेमिकल अस्थिरता र दीर्घकालीन क्षयसँग जोडिएको हुन्छ।

२.२.१ चक्र-प्रेरित बुढ्यौली

प्रत्येक चार्ज-डिस्चार्ज साइकलको साथ लिथियम-आधारित बैट्रीहरूमा संरचनात्मक र रासायनिक परिवर्तनहरू हुन्छन्। सयौँ साइकलहरूमा, SEI परत मोटो हुन्छ, सक्रिय सामग्री अलग हुन्छ, र इलेक्ट्रोडको छिद्रहरू कम हुन्छ। यी परिवर्तनहरूले आन्तरिक प्रतिरोध बढाउँछ र ग्याँस उत्पादन गर्ने प्रतिक्रियाहरूलाई बढावा दिन्छ।
उपयोगी जीवनको अन्त्यतिर पुग्दा, बैट्रीले अत्यन्त न्यून तनाव—जस्तै सामान्यभन्दा बढी चार्ज वा सामान्य तापक्रम परिवर्तन—ले फुलाव (स्वेलिङ) लाई ट्रिगर गर्न सक्छ।

२.२.२ अनुचित भण्डारण अवस्था

केही भण्डारणसँग सम्बन्धित कारकहरूले फुलावको जोखिमलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाउँछन्:
● गहिरो डिस्चार्ज (<प्रति सेल ३.० V) ले एनोड करेन्ट कलेक्टरबाट तामा घुल्न दिन सक्छ, जसले आन्तरिक शॉर्ट सर्किटको कारण बन्छ।
● यान्त्रिक क्षतिले सेपरेटरलाई कमजोर पार्न सक्छ, जसले सिधा इलेक्ट्रोड सम्पर्कलाई सम्भव बनाउँछ।
● नमीको प्रवेशले इलेक्ट्रोलाइट घटकहरूसँग प्रतिक्रिया गर्दछ, जसले तातो र ग्याँस उत्पादन गर्छ।
● चरम स्टेट-अफ-चार्ज भण्डारणले इलेक्ट्रोलाइट अक्सीकरण र SEI अस्थिरतालाई तीव्र बनाउँछ।
● उच्च तापक्रम (30°C) मा भण्डारणले प्रतिक्रिया दर र ग्याँसको निर्माण बढाउँछ।
यी कारकहरूले संगै मिलेर अपरिवर्तनीय सुजनमा योगदान दिन्छन्, जुन प्रायः क्षमता हानि र भोल्टेज अस्थिरतासँग साथै हुन्छ।

3. सुजनका भौतिक-रासायनिक तंत्र

3.1 विद्युतअपघटनको विघटन

कार्बनेट-आधारित कार्बनिक विद्युतअपघटन तापक्रमका प्रति संवेदनशील हुन्छन्। उच्च तापक्रम वा ओभरभोल्टेजको अवस्थामा आउँदा, तिनीहरू ग्याँसीय उप-उत्पादनहरूमा विघटन हुन्छन्। यो विघटन सुजनको एक प्रमुख कारण हो।

3.2 लिथियम प्लेटिङ र डेन्ड्राइट निर्माण

कम तापक्रम वा उच्च भोल्टेजमा चार्ज गर्दा एनोड सतहमा धात्विक लिथियम जम्मा हुन सक्छ। लिथियम प्लेटिङले क्षमता घटाउँछ र आन्तरिक प्रतिरोध बढाउँछ। अझ गम्भीर कुरा भने धात्विक लिथियम अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हुन्छ र विद्युतअपघटन द्रवका संग ग्याँस उत्पादन गर्ने प्रतिक्रिया सुरु गर्न सक्छ।

3.3 SEI तहको अस्थिरता

एनोड-इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस स्थिर बनाउन SEI परत आवश्यक छ। तर, तापीय तनाव, अत्यधिक चार्जिङ, वा यान्त्रिक विरूपणले SEI फुट्न सक्छ। बारम्बार SEI को क्षतिले इलेक्ट्रोलाइटको खपत गर्छ र ग्याँस उत्पादन गर्छ, जसले सुज्ने कारण हुन्छ।

3.4 विभाजकको क्षरण

विभाजक एउटा साना छिद्रहरू भएको पोलिमर झिल्ली हो जसले इलेक्ट्रोडहरू बीचमा सिधा सम्पर्कलाई रोक्छ। यान्त्रिक प्रभाव, अत्यधिक ताप, वा उत्पादन दोषले विभाजकलाई कमजोर बनाउन सक्छ। एकपटक कमजोर भएपछि, आन्तरिक शॉर्ट सर्किट हुन सक्छ, जसले तीव्र ताप उत्पादन र ग्याँस उत्सर्जनको कारण बन्छ।

4. सुजेको ब्याट्रीको पहिचान र मूल्याङ्कन

दुर्घटना रोक्न अग्रिम सुज्ने लक्षणहरूको पहिचान गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। प्रमुख संकेतहरूमा समावेश छन्:
● ब्याट्रीको केसमा दृश्य विरूपण वा फैलावट
● UAV मा ब्याट्री लगाउन वा निकाल्न गाह्रो हुनु
● मीठो वा तीव्र रासायनिक गन्ध
● उडान समयमा कमी वा अस्थिर भोल्टेज आउटपुट
● चार्जिङ वा डिस्चार्जिङको समयमा तापक्रम बढ्नु
स्वेलन भएका ब्याट्रीहरूलाई तुरुन्तै सेवाबाट हटाउनुपर्छ। आन्तरिक दबाव घटाउन ब्याट्रीमा छेद गर्ने वा दबाउने प्रयास अत्यन्त खतरनाक हुन्छ र आगो लाग्न सक्छ।

स्वेलनसँग सम्बन्धित सुरक्षा जोखिमहरू

5.1 आगो र थर्मल रनअवे
आन्तरिक शॉर्ट सर्किट वा उष्ण-रासायनिक प्रतिक्रियाले थर्मल रनअवे लाई ट्रिगर गर्न सक्छ, जुन आगोको कारण बन्न सक्ने आत्म-त्वरित प्रक्रिया हो।

5.2 यान्त्रिक फटाइ
अत्यधिक आन्तरिक दबावले ब्याट्रीको खोल फुट्न सक्छ, जसले गर्दा तातो ग्याँस र ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट बाहिर निस्कन्छ।

5.3 विषालु ग्याँसको उत्सर्जन
इलेक्ट्रोलाइटको विघटन उत्पादनमा श्वासप्रश्वासका लागि हानिकारक हुने कार्बनिक वाष्प समावेश हुन सक्छ।

5.4 UAV संरचनात्मक क्षति
स्वेलन भएको ब्याट्रीले UAV को ब्याट्री कक्ष विकृत गर्न सक्छ, कनेक्टरहरूलाई क्षति पुर्याउन सक्छ, वा ठण्डा प्रणालीमा हस्तक्षेप गर्न सक्छ।

६. निवारक रणनीतिहरू

६.१ चार्ज व्यवस्थापन
● निर्माताद्वारा अनुमोदित चार्जरहरू प्रयोग गर्नुहोस् र स्पष्ट रूपमा समर्थित नभएसम्म फास्ट चार्जिङबाट बच्नुहोस्।
● चार्ज गर्दा ब्याट्रीलाई अनियन्त्रित अवस्थामा नछोड्नुहोस्।
● पूर्ण रूपमा चार्ज भएपछि चार्जिङ रोक्नुहोस् र नियमित रूपमा सेल भोल्टेज सन्तुलन गर्नुहोस्।
● उडानपछि तुरुन्त चार्ज नगर्नुहोस्; पर्याप्त ठण्डा हुने समय दिनुहोस्।

६.२ ताप नियन्त्रण
● ब्याट्रीहरूलाई चिसो, सुख्खा वातावरणमा भण्डार गर्नुहोस्।
● ड्रोनहरूलाई लामो समयसम्म सिधा सूर्यको प्रकाशमा नराख्नुहोस्।
● परिवहनको क्रममा आगोरोधी वा ताप-अवरोधक कन्टेनरहरू प्रयोग गर्नुहोस्।

६.३ भण्डारण अनुकूलन
● लामो समयसम्म भण्डारणका लागि चार्जको अवस्था ४०–६०% मा राख्नुहोस्।
● गहिरो डिस्चार्जबाट बच्न प्रत्येक १–३ महिनामा चार्ज गर्नुहोस्।
● तापक्रम विस्तारबाट बच्न ब्याट्रीहरू छुट्टाछुट्टै भण्डारण गर्नुहोस्।

६.४ यांत्रिक सुरक्षा
● ब्याट्रीलाई खसाल्न वा दबाउनबाट जोगिनुहोस्।
● नमी र कम्पनबाट सुरक्षा गर्नुहोस्।
● घिस्रो वा विकृतिका लक्षणहरूका लागि नियमित जाँच गर्नुहोस्।

६.५ संचालन निगरानी
● उडान नियन्त्रण प्रणालीको माध्यमबाट चक्र गणना र प्रदर्शन मेट्रिक्स ट्र्याक गर्नुहोस्।
● असामान्य भोल्टेज व्यवहार वा क्षमता कमी देखाउने ब्याट्रीहरू प्रतिस्थापन गर्नुहोस्।
● सुधारिएको ब्याट्री प्रबन्धन एल्गोरिदमहरूको लाभ लिन को लागी फर्मवेयर अद्यावधिक राख्नुहोस्।

७. समापन

यूएभी प्रणालीहरूमा ब्याट्री स्वेलिङ तापीय तनाव, इलेक्ट्रोकेमिकल क्षरण, यांत्रिक क्षति र अनुचित भण्डारण अभ्यासहरूले चलाएको बहुआयामी घटना हो। संचालनको क्रममा हुने अस्थायी स्वेलिङ प्रतिवर्ती हुन सक्छ, तर भण्डारणको क्रममा देखिने स्वेलिङ सामान्यतया अप्रतिवर्ती आन्तरिक विफलतालाई जनाउँछ।
वैज्ञानिक आधारित चार्जिङ, भण्डारण र निगरानी अभ्यासहरू अपनाएर प्रयोगकर्ताहरूले स्वेलिङको घटनालाई काफी हदसम्म कम गर्न सक्छन् र यूएभीको सुरक्षा बढाउन सक्छन्। यद्यपि ब्याट्री रसायन र प्रबन्धन प्रणालीहरूमा भएका अग्रगतिहरूले विश्वसनीयता सुधार जारी राख्नेछन्, स्वेलिङ सम्बन्धी जोखिमहरू रोक्न प्रयोगकर्ताको जागरूकता एक महत्त्वपूर्ण कारक बनिरहन्छ।