EN
Abstraktno
Nabrekajoči pojav v litijevih baterijah, uporabljenih v brezpilotnih letalih (UAV), je kritičen degradacijski pojav, ki neposredno vpliva na obratovalno zanesljivost in varnost. V članku je predstavljen razširjen in sistematičen pregled fizikalno-kemijskih mehanizmov, odgovornih za nabrekanje, ločeno analizirana sta obnašanja med obratovanjem in skladiščenjem, ocenjena tveganja ter predlagane preprečevalne strategije, utemeljene na dokazih. S kombinacijo elektrokemijske teorije in specifičnih vzorcev uporabe pri brezpilotnih letalih študija prispeva k varnejšemu delovanju dronov ter podpira prihodnje izboljšave sistemov za upravljanje z baterijami (BMS).
1. Uvod
Litij-ionske (Li-ion) in litij-polimerni (LiPo) baterije so postale prevladujoči viri energije za brezpilotne letalne naprave (UAV) zaradi svoje visoke gostote energije, lahke konstrukcije in stabilnih karakteristik raznabijanja. Ko se uporaba UAV-jev širi na področja, kot so zračno kartiranje, precizno kmetijstvo, izredna pomoč in industrijski pregledi, postaja zanesljivost vgrajenih električnih sistemov vedno pomembnejša.
Čeprav imajo prednosti, so litijeve baterije nagnjene k staranju, kadar so izpostavljene toplotnim obremenitvam, mehanskim udarcem, neustreznemu polnjenju ali neprimerenim pogojev shranjevanja. Med različnimi načini staranja se nabreknilo baterije – opazno po nenormalnem raztezanju ohišja celice – izoblikovalo kot glavna težava glede varnosti. Nabreknilo ne zmanjšuje le zmogljivosti baterije, temveč povečuje tudi tveganje za požar, počenje in sproščanje strupenih plinov.
Ta članek nadgrajuje obstoječe raziskave z podrobno analizo mehanizmov nabrekovanja, dejavnikov, ki k temu prispevajo, ter preprečevalnih ukrepov, prilagojenih okolju delovanja dronov.
2. Klasifikacija pojavov nabrekovanja baterij
2.1 Začasno nabrekovanje med obratovanjem pri visokem obremenitvi
Med zahtevnimi letalskimi misijami lahko pride pri baterijah dronov do hitrega povečanja temperature zaradi visokih iztokovnih tokov. Dejavnosti, kot so hitro pospeševanje, lebdenje v močnem vetru ali prevažanje težkih tovorov, znatno povečajo segrevanje zaradi notranje upornosti.
Ko temperatura celice preseže priporočeno obratovalno mejo (običajno nad 40–45 °C), se začnejo pojavljati stranske reakcije. Te vključujejo delno razgradnjo elektrolitskih topil in destabilizacijo medfaze trdnega elektrolita (SEI). Posledični plinasti stranski proizvodi—pogosto CO₂, H₂ in ogljikovodiki z nizko molekulsko maso—se kopičijo znotraj tesno zaprte baterijske ohišja.
Ta oblika razširjanja je praviloma obrnljiva. Ko se baterija ohladi, se notranji tlak zmanjša in ohišje lahko ponovno prevzame prvotno obliko. Ponovljena izpostavljenost visokim temperaturam pa pospešuje razpad SEI, povečuje notranjo upornost in spodbuja dolgoročno degradacijo. Če toplotni napori trajajo, se lahko začasno razširjanje s časom razvije v neobrnljivo razširjanje.
2.2 Neobrnljivo razširjanje med shranjevanjem
Razširjanje, ki se pojavi med shranjevanjem, je ponavadi bolj resno in kaže na trajno notranjo poškodbo. Za razliko od razširjanja pri delovanju, ki je pogosto posledica temperature, je razširjanje pri shranjevanju predvsem povezano z elektrokemijsko nestabilnostjo in dolgoročno degradacijo.
2.2.1 Staranje, povzročeno s cikliranjem
Litijeve baterije prehajajo strukturne in kemične spremembe ob vsakem ciklu polnjenja in praznjenja. Po stotine ciklov se plast SEI zadebeli, aktivni material izolira in poroznost elektrod pada. Te spremembe povečajo notranji upor in spodbujajo nastajanje plinov.
Ko se baterija približuje koncu svoje uporabne dobe, lahko že majhni dejavniki, kot so nekoliko preveliko polnjenje ali blagi nihaji temperature, sprožijo nabreknilost.
2.2.2 Neustrezni pogoji shranjevanja
Več dejavnikov, povezanih s shranjevanjem, znatno poveča tveganje nabreknilosti:
● Globoko praznjenje (<3,0 V na celico) lahko povzroči raztapljanje bakra s tokovnega zbiralnika anode, kar vodi do notranjih kortskev.
● Mehanska poškodba lahko poškoduje separator in omogoči neposreden stik elektrod.
● Vdiranje vlage reagira s sestavinami elektrolita in sprošča toploto ter pline.
● Shranjevanje pri ekstremnem stanju naboja pospeši oksidacijo elektrolita in nestabilnost SEI.
● Shranjevanje pri visoki temperaturi (30 °C) poveča hitrost reakcij in nastajanje plinov.
Ti dejavniki skupaj prispevajo k nepopravljivemu nabrekovanju, ki ga pogosto spremljajo izguba zmogljivosti in nestabilnost napetosti.
3. Fizikalno-kemijski mehanizmi nabrekovanja
3.1 Razgradnja elektrolita
Elektroliti na osnovi organskih karbonatov so toplotno občutljivi. Ko so izpostavljeni visokim temperaturam ali previsokim napetostim, se razgradijo v plinaste stranske produkte. Ta razgradnja je eden glavnih vzrokov za nabrekovanje.
3.2 Kristalizacija litija in nastanek dendritov
Polnjenje pri nizkih temperaturah ali visokih napetostih lahko povzroči odlaganje kovinskega litija na površini anode. Kristalizacija litija zmanjša zmogljivost in poveča notranji upor. Še pomembneje, kovinski litij je zelo reaktiven in lahko sproži reakcije, pri katerih nastajajo plini z topili elektrolita.
3.3 Nestabilnost SEI plasti
Sloj SEI je bistven za stabilizacijo meje anoda-elektrolit. Vendar toplotni napetosti, prekomerno polnjenje ali mehanske deformacije lahko povzročijo razpoke v SEI. Ponavljajoče se poškodbe SEI porabijo elektrolit in sproščajo plin, kar prispeva k nabrekanju.
3.4 Razgradnja separatorja
Separator je porozna polimerna membrana, ki preprečuje neposreden stik med elektrodama. Mehanski udarci, pregrevanje ali proizvodne napake lahko oslabijo separator. Ko izgubi svojo funkcionalnost, lahko pride do notranjih kratkih stikov, kar vodi do hitrega sproščanja toplote in nastanka plina.
4. Prepoznavanje in ocenjevanje nabreklih baterij
Zgodnje zaznavanje nabreknilosti je ključno za preprečevanje nesreč. Pomembni indikatorji vključujejo:
● Vidno deformacijo ali razširitev ohišja baterije
● Težave pri vstavljanju ali odstranjevanju baterije iz drona (UAV)
● Sladke ali ostre kemične vonjave
● Zmanjšano letno trajanje ali nestabilen izhodni napetostni tok
● Povišano temperaturo med polnjenjem ali praznjenjem
Nabuhle baterije je takoj treba odstraniti iz obratovanja. Poskusi prebadanja ali stiskanja baterije za sprostitev notranjega tlaka so izjemno nevarni in lahko sprožijo vžig.
5. Varnostna tveganja, povezana z nabrekanjem
5.1 Požar in toplotni beg
Notranji kratek stik ali eksotermne reakcije lahko sprožijo toplotni beg, samopospeševalni proces, ki lahko povzroči požar.
5.2 Mehansko počenje
Prevelik notranji tlak lahko povzroči počenje ohišja baterije, pri čemer se sprostijo vroči plini in vnetljiva elektrolita.
5.3 Izpust strupenih plinov
Razgradnja produktov elektrolita lahko vključuje škodljive organske hlape, ki predstavljajo nevarnost za dihalni sistem.
5.4 Poškodbe strukture UAV-ja
Nabuhla baterija lahko deformira prostor za baterijo na UAV-ju, poškoduje priključke ali ovira hladilne sisteme.
6. Preventivne strategije
6.1 Upravljanje polnjenja
● Uporabljajte polnile, odobrene s strani proizvajalca, in se izogibajte hitremu polnjenju, razen če je to izrecno podprto.
● Ne puščajte baterij nepospravljene med polnjenjem.
● Prenehajte z polnjenjem takoj, ko so polne, in občasno izravnajte napetost celic.
● Izogibajte se polnjenju takoj po letu; pustite zadosten čas za ohlajevanje.
6.2 Termalna kontrola
● Shranjujte baterije v hladnem, suhem okolju.
● Izogibajte se daljšemu izpostavljanju dronov neposrednemu sončnemu svetlobi.
● Med prevozom uporabljajte protipožarne ali toplotno izolirane posode.
6.3 Optimizacija shranjevanja
● Ohranjajte stanje naboja med 40–60 % za dolgoročno shranjevanje.
● Polnite vsakih 1–3 mesece, da preprečite popoln izpraznitev.
● Akumulatorje hranite ločeno, da preprečite toplotno širjenje.
6.4 Mehanska zaščita
● Izogibajte se padcu ali stiskanju akumulatorja.
● Zaščitite pred vlago in vibracijami.
● Redno pregledujte znake obrabe ali deformacije.
6.5 Nadzor obratovanja
● Spremljajte število ciklov in zmogljivost prek sistemov nadzora letenja.
● Zamenjajte baterije, ki kažejo nenavadno vedenje napetosti ali upad zmogljivosti.
● Redno posodabljajte programska oprema, da izkoristite izboljšane algoritme upravljanja z baterijami.
7. Zaključek
Povečevanje baterij v UAV sistemih je pojav z več dejavniki, ki ga povzročajo toplotni napori, elektrokemijsko staranje, mehanske poškodbe in neustrezne prakse shranjevanja. Čeprav lahko povečevanje med delovanjem preide, povečevanje, opaženo med shranjevanjem, ponavadi kaže na nepopravljivo notranjo okvaro.
Z uveljavljanjem znanstveno utemeljenih praks polnjenja, shranjevanja in spremljanja lahko uporabniki znatno zmanjšajo pojav povečevanja in izboljšajo varnost UAV-jev. Čeprav bodo napredki v sestavi baterij in sistemih upravljanja nadaljevali izboljševati zanesljivost, ostaja ozaveščenost uporabnikov ključni dejavnik pri preprečevanju nevarnosti, povezanih s povečevanjem.
