EN
Abstrakcja
Pęcznienie w bateriach litowych stosowanych w bezpilotowych statkach powietrznych (UAV) to istotne zjawisko degradacji, które bezpośrednio wpływa na niezawodność działania i bezpieczeństwo. Niniejszy artykuł oferuje rozszerzone i systematyczne badanie fizykochemicznych mechanizmów odpowiedzialnych za pęcznienie, różnicuje zachowania prowadzące do pęcznienia podczas pracy i przechowywania, ocenia związane zagrożenia oraz proponuje oparte na dowodach strategie zapobiegawcze. Łącząc teorię elektrochemiczną ze specyficznymi wzorcami użytkowania UAV, badanie to ma na celu wspieranie bezpieczniejszej eksploatacji dronów oraz wprowadzenie ulepszeń w systemach zarządzania baterią (BMS).
1. Wprowadzenie
Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) i litowo-polimerowe (LiPo) stały się dominującymi źródłami zasilania dla UAV ze względu na dużą gęstość energii, lekką konstrukcję oraz stabilne charakterystyki rozładowania. W miarę jak zastosowania UAV rozszerzają się na takie dziedziny jak mapowanie lotnicze, rolnictwo precyzyjne, działania w sytuacjach awaryjnych oraz inspekcja przemysłowa, niezawodność pokładowych systemów zasilania staje się coraz ważniejsza.
Mimo swoich zalet, akumulatory litowe są narażone na degradację pod wpływem naprężeń termicznych, oddziaływania mechanicznego, nieprawidłowego ładowania lub nieodpowiednich warunków przechowywania. Spośród różnych trybów degradacji, pęcznienie baterii – objawiające się nieregularnym rozszerzaniem się worka komórki lub obudowy – stało się poważnym problemem bezpieczeństwa. Pęcznienie nie tylko obniża wydajność baterii, ale także zwiększa ryzyko pożaru, pęknięcia oraz uwalniania toksycznych gazów.
Ten artykuł rozwija istniejące badania, oferując szczegółową analizę mechanizmów spuchania, czynników sprzyjających oraz środków zapobiegawczych dostosowanych do środowisk operacyjnych UAV.
2. Klasyfikacja zjawisk spuchania akumulatorów
2.1 Tymczasowe spuchanie podczas pracy przy dużym obciążeniu
Podczas wymagających misji lotniczych akumulatory UAV mogą doświadczać szybkiego wzrostu temperatury spowodowanego wysokimi prądami rozładowania. Czynności takie jak szybkie przyspieszanie, zawieszanie się w silnym wietrze lub przenoszenie ciężkich ładunków znacząco zwiększają nagrzewanie się spowodowane oporem wewnętrznym.
Gdy temperatura ogniw przekracza zalecany próg roboczy (zazwyczaj powyżej 40–45°C), zaczynają zachodzić reakcje uboczne. Obejmują one częściowy rozkład rozpuszczalników elektrolitu oraz destabilizację warstwy międzymetalicznej (SEI). Powstające gazowe produkty uboczne — najczęściej CO₂, H₂ oraz węglowodory o niskiej masie cząsteczkowej — gromadzą się wewnątrz uszczelnionej obudowy akumulatora.
Ten rodzaj opuchlizny jest zazwyczaj odwracalny. Gdy bateria ostygnie, ciśnienie wewnętrzne spada i obudowa może powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Jednak wielokrotne narażenie na wysokie temperatury przyspiesza rozpad SEI, zwiększa opór wewnętrzny oraz sprzyja długoterminowej degradacji. Z czasem przejściowa opuchlizna może przekształcić się w opuchliznę nieodwracalną, jeśli naprężenie termiczne będzie się utrzymywało.
2.2 Opuchlizna nieodwracalna podczas przechowywania
Opuchlizna występująca podczas przechowywania jest zazwyczaj bardziej nasilona i wskazuje na trwałe uszkodzenie wewnętrzne. W przeciwieństwie do opuchlizny eksploatacyjnej, która często wynika ze zmian temperatury, opuchlizna związana z przechowywaniem wiąże się głównie z niestabilnością elektrochemiczną i długoterminową degradacją.
2.2.1 Starzenie wywołane cyklowaniem
Akumulatory litowo-jonowe ulegają zmianom strukturalnym i chemicznym w każdym cyklu ładowania i rozładowania. Po setkach cykli warstwa SEI pogrubia się, materiał aktywny izoluje się, a porowatość elektrod zmniejsza się. Te zmiany zwiększają opór wewnętrzny i sprzyjają reakcjom gazotwórczym.
Gdy akumulator zbliża się do końca swojego użytecznego okresu eksploatacji, nawet niewielkie obciążenia — takie jak lekkie przeładowanie lub delikatne wahania temperatury — mogą spowodować wybrzuszenie.
2.2.2 Nieprawidłowe warunki przechowywania
Kilka czynników związanych z przechowywaniem znacząco zwiększa ryzyko wybrzuszenia:
● Głębokie rozładowanie (<3,0 V na ogniwo) może spowodować rozpuszczanie miedzi z kolektora prądu anody, prowadząc do wewnętrznego zwarcia.
● Uszkodzenie mechaniczne może naruszyć separator, umożliwiając bezpośredni kontakt elektrod.
● Przeniknięcie wilgoci powoduje reakcję z komponentami elektrolitu, generując ciepło i gaz.
● Przechowywanie w skrajnym stanie naładowania przyspiesza utlenianie elektrolitu i niestabilność warstwy SEI.
● Przechowywanie w wysokiej temperaturze (30°C) zwiększa szybkość reakcji i powstawanie gazów.
Te czynniki razem przyczyniają się do nieodwracalnego spuchnięcia, często towarzyszy mu utrata pojemności i niestabilność napięcia.
3. Mechanizmy fizykochemiczne spuchania
3.1 Rozkład elektrolitu
Elektrolity na bazie organicznych węglanów są wrażliwe na ciepło. W warunkach wysokiej temperatury lub nadnapięcia ulegają rozkładowi, tworząc gazowe produkty uboczne. Ten proces stanowi jedną z głównych przyczyn spuchania.
3.2 Platerowanie litu i formowanie dendrytów
Ładowanie w niskich temperaturach lub przy wysokim napięciu może prowadzić do osadzania się litu metalicznego na powierzchni anody. Platerowanie litu zmniejsza pojemność i zwiększa opór wewnętrzny. Co ważniejsze, lit metaliczny jest bardzo reaktywny i może inicjować reakcje z roztworem elektrolitu, prowadzące do wydzielania się gazów.
3.3 Niestabilność warstwy SEI
Warstwa SEI jest niezbędna do stabilizacji interfejsu anoda-elektrolit. Jednak naprężenia termiczne, przeciążenie lub odkształcenia mechaniczne mogą powodować pękanie SEI. Powtarzające się uszkodzenia SEI prowadzą do zużycia elektrolitu i generowania gazu, co przyczynia się do wybrzuszeń.
3.4 Degradacja separatora
Separator to porowata membrana polimerowa zapobiegająca bezpośredniemu kontaktowi między elektrodami. Oddziaływanie mechaniczne, przegrzanie lub wady produkcyjne mogą osłabić separator. Gdy jego integralność zostaje naruszona, może dojść do zwarcia wewnętrznego, co skutkuje szybkim wydzielaniem się ciepła i gazów.
4. Identyfikacja i ocena baterii z wybrzuszeniami
Wczesne wykrycie wybrzuszeń jest kluczowe dla zapobiegania wypadkom. Główne wskaźniki to:
● Widoczne odkształcenie lub rozszerzenie obudowy baterii
● Trudności z włożeniem lub wyjęciem baterii z drona
● Słodki lub ostry zapach chemiczny
● Skrócony czas lotu lub niestabilne napięcie wyjściowe
● Podwyższona temperatura podczas ładowania lub rozładowania
Pęczniejące baterie należy natychmiast wycofać z eksploatacji. Próby przebijania lub uciskania baterii w celu uwolnienia wewnętrznego ciśnienia są niezwykle niebezpieczne i mogą spowodować zapłon.
5. Ryzyka bezpieczeństwa związane z pęcznieniem
5.1 Pożar i niekontrolowany wzrost temperatury
Wewnętrzne zwarcia lub reakcje egzotermiczne mogą spowodować niekontrolowany wzrost temperatury, samo-przyspieszający proces, który może prowadzić do pożaru.
5.2 Uszkodzenie mechaniczne
Zbyt wysokie ciśnienie wewnętrzne może spowodować pęknięcie obudowy baterii, co skutkuje uwolnieniem gorących gazów i łatwopalnego elektrolitu.
5.3 Emisja toksycznych gazów
Produkty rozkładu elektrolitu mogą zawierać szkodliwe opary organiczne stanowiące zagrożenie dla układu oddechowego.
5.4 Uszkodzenie konstrukcji UAV
Pęczniejąca bateria może odkształcić komorę baterii UAV, uszkodzić złącza lub zakłócić działanie systemów chłodzenia.
6. Strategie zapobiegawcze
6.1 Zarządzanie ładowaniem
● Używaj tylko dołączonych przez producenta urządzeń ładujących i unikaj szybkiego ładowania, chyba że jest ono wyraźnie obsługiwane.
● Nie pozostawiaj baterii bez nadzoru podczas ładowania.
● Przestań ładować po osiągnięciu pełnego naładowania i okresowo wyrównuj napięcia ogniw.
● Unikaj ładowania bezpośrednio po locie; zapewnij wystarczający czas na ostygnięcie.
6.2 Kontrola temperatury
● Przechowuj baterie w suchym, chłodnym miejscu.
● Unikaj długotrwałego wystawiania dronów na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.
● Podczas transportu używaj pojemników odpornych na ogień lub termicznie izolowanych.
6.3 Optymalizacja przechowywania
● Utrzymuj stan naładowania w zakresie 40–60% podczas długoterminowego przechowywania.
● Ładuj ponownie co 1–3 miesiące, aby zapobiec głębokiemu rozładowaniu.
● Przechowuj baterie osobno, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się ciepła.
6.4 Ochrona mechaniczna
● Unikaj upuszczania lub uciskania baterii.
● Chron przed wilgocią i wibracjami.
● Regularnie sprawdzaj występowanie oznak zużycia lub deformacji.
6.5 Monitorowanie pracy
● Śledź liczbę cykli oraz parametry wydajności za pośrednictwem systemów sterowania lotem.
● Wymień baterie wykazujące nieprawidłowe zachowanie napięcia lub spadek pojemności.
● Utrzymuj aktualizowany firmware, aby korzystać z ulepszonych algorytmów zarządzania baterią.
7. wniosek
Pęczniecie baterii w systemach UAV to zjawisko wieloczynnikowe, spowodowane naprężeniem termicznym, degradacją elektrochemiczną, uszkodzeniami mechanicznymi oraz nieprawidłowymi praktykami przechowywania. Choć pęczniecie przejściowe podczas pracy może być odwracalne, to pęczniecie obserwowane podczas przechowywania zwykle wskazuje na nieodwracalne uszkodzenie wewnętrzne.
Dzięki stosowaniu naukowo uzasadnionych praktyk ładowania, przechowywania i monitorowania użytkownicy mogą znacząco zmniejszyć występowanie pęcznienia i poprawić bezpieczeństwo UAV. Chociaż postępy w chemii baterii i systemach zarządzania dalej będą zwiększać niezawodność, świadomość użytkowników pozostaje kluczowym czynnikiem zapobiegania zagrożeniom związanym z pęcznieniem.
