PAسلسلة تكنولوجيا التصنيع CK: تحليل تقنية المواد العازلة الحرارية لحزمة البطارية

PAسلسلة تكنولوجيا التصنيع CK: تحليل تقنية المواد العازلة الحرارية لحزمة البطارية

اللحظة الحارقة: التحذير القاسي من الانفلات الحراري لبطارية الليثيوم وشريان الحياة للمواد العازلة

في عام 2024، انفجر فجأة مصنع لبطاريات الليثيوم في مقاطعة جيونجي بكوريا الجنوبية واشتعلت فيه النيران، مما أودى بحياة 23 عاملاً في 15 ثانية فقط.

في عام 2025، اصطدمت سيارة Xiaomi SU7 أثناء القيادة بسرعة عالية، ولم يمكن إنقاذ ثلاثة أشخاص داخل السيارة...

سواء أكان الأمر يتعلق بمركبات الطاقة الجديدة التي تسير بسرعة على الطرق أو محطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة التي تدعم التحول إلى الطاقة الخضراء، فإن حوادث الحرائق والانفجارات الناجمة عن الهروب الحراري لخلايا بطاريات الليثيوم لم تعد أخبارًا معزولة. وراء هذه البيانات المروعة يكمن تحدي خطير للسلامة. تشير الإحصاءات غير الكاملة إلى أنه في عام 2024، يمكن إرجاع أكثر من 30% من حوادث حرائق محطات تخزين الطاقة العالمية إلى الانفلات الحراري لبطاريات الليثيوم. في مجال مركبات الطاقة الجديدة، بمجرد أن تشتعل بطارية، يصل معدل الوفيات بين الركاب إلى نسبة مذهلة تصل إلى 70%!

في مواجهة مثل هذا التهديد عالي التردد والوفيات على السلامة، فإن بناء نظام فعال للحماية من الانفلات الحراري أمر ملح للغاية. ومن بين هذه المواد، تلعب المواد العازلة لحزم البطاريات دورًا حاسمًا باعتبارها 'حراسًا للحاجز الحراري'. لذا، كيف يمكنها بالضبط احتواء انتشار الحرارة وتوفير وقت هروب ثمين عند وقوع الكوارث؟ ما هي الأنواع السائدة من المواد العازلة المتوفرة حاليًا والتي تحمي هذا الخط الفاصل بين الحياة والموت؟

I. الهروب الحراري والحاجز الحراري

1. حرائق بطارية الليثيوم: ارتفاع سريع في درجة الحرارة، وتفاعلات متسلسلة هاربة

بمجرد أن تشتعل بطارية الليثيوم، تصبح خصائصها مميزة: احتراق سريع، ولهيب شديد، وقوة تدميرية هائلة، وصعوبة بالغة في الإطفاء. يكمن الخطر الأساسي في عملية الانفلات الحراري للخلية. إنه ليس انفجارًا لحظيًا، بل هو تفاعل متسلسل يشتمل على التورم/الانتفاخ، وإطلاق الدخان، والاشتعال العنيف، والحرق الشديد. تطلق هذه العملية حرارة هائلة، حيث تصل درجات الحرارة القصوى إلى 450 درجة مئوية إلى 600 درجة مئوية.

والأخطر من ذلك هو أن درجات الحرارة المرتفعة الموضعية يمكن أن تؤدي بسرعة إلى انتشار حراري متسلسل إلى الخلايا المجاورة، مما يؤدي في النهاية إلى نشوب حريق أو حتى انفجار.

تنقسم المحفزات الرئيسية لهذه 'الكارثة المتسلسلة' إلى ثلاث فئات:

• الأضرار المادية: تدمير القوة الخارجية مثل الاصطدام أو السحق أو الثقب.

• إساءة استخدام درجة الحرارة: ارتفاع درجة الحرارة الخارجية أو ارتفاع درجة الحرارة المحلية الداخلية.

• سوء استخدام الكهرباء: الشحن الزائد، الإفراط في التفريغ، أو ماس كهربائى خارجي.

2. تقنية الحاجز الحراري: 'جدار الحماية' الذي يحتوي على انتشار الكوارث

تتمثل المهمة الأساسية لتقنية الحاجز الحراري في اعتراض الصدمة الحرارية المميتة والدخان الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة وإشعاع اللهب الصادر عن البطارية الهاربة بكفاءة، مما يؤدي إلى قطع مسار نقل الحرارة إلى الخلايا المجاورة. وتكمن قيمته في:

• إضعاف القوة التدميرية للنار.

• كسب الوقت الحرج لمكافحة الحرائق والإنقاذ.

• تعظيم حماية سلامة الموظفين.

يشتمل نظام تكنولوجيا الحماية الحرارية الحالية السائد بشكل أساسي على ثلاثة اتجاهات:

• المراقبة والتبريد الذكي: مراقبة حالة البطارية في الوقت الفعلي، مما يؤدي بشكل فعال إلى تفعيل إجراءات التبريد أو إخماد الحرائق عند حدوث أي شيء غير طبيعي.

• الحماية الهيكلية (العزل المادي): إنشاء حاجز عازل (المواد الرئيسية) بين الخلايا لسد مسار الانتشار الحراري الجامح.

• مكافحة الحرائق في حالات الطوارئ: التنفيذ السريع لإخماد الحرائق بكفاءة (مثل التبريد بالمياه المغمورة، ورش البيرفلوروهكسانون، وما إلى ذلك) بعد حدوث الهروب الحراري.

تقدم هذه المقالة في المقام الأول تقنية تصميم هيكل الأمان، والتي تمنع الحرارة الناتجة عن خلية حرارية هاربة من الانتقال إلى الخلايا المجاورة، وبالتالي منع التفاعل المتسلسل.

ثانيا. الأنواع الرئيسية لمواد الحاجز الحراري

تشتمل مواد العزل الحراري الشائعة الاستخدام حاليًا لبطاريات الطاقة على الرغوة المقاومة للهب، ومواد اللباد الهوائي، وألواح الميكا، ومركبات مطاط السيليكون القابلة للتسيراميك، ومركبات التأصيص المقاومة للهب، وألواح العزل الفراغي. إن اللوحة العازلة بين الخلايا داخل وحدة البطارية عبارة عن جهاز حماية حراري يتم وضعه بين الخلايا الفردية، مما يؤخر أو يمنع بشكل فعال انتشار الهروب الحراري من خلية واحدة إلى نظام البطارية بأكمله. يحتاج بشكل عام إلى امتلاك الأداء التالي:

1. رغوة مثبطات اللهب

الأنواع الرئيسية: رغوة البولي يوريثان (PU)، رغوة EVA، مطاط السيليكون، إلخ.

وعادة ما يتم تصنيعها من المواد الأساسية المذكورة أعلاه من خلال عمليات رغوة خاصة. إنها توفر أداءً جيدًا للعزل الحراري وقابلية ضغط ممتازة، مما يسمح لها بامتصاص قوى التمدد الناتجة عن دورات الخلية بشكل كامل.

2. مواد اللباد الهوائي

يمكن تصنيف Aerogels إلى السائبة، ومسحوق، والأفلام. أداء العزل الحراري المتميز يأتي من هيكلها المسامي.

حجم مسام الهلام الهوائي أصغر من متوسط ​​المسار الحر لجزيئات الهواء تحت الضغط الجوي، وبالتالي فإن جزيئات الهواء داخل المسام تكون ثابتة تقريبًا، وبالتالي تتجنب انتقال الحرارة بالحمل الحراري من الهواء.

المواد اللبادية المصنوعة من مادة الإيروجيل، المصنوعة من مادة الهلام الهوائي SiO2 كنواة، بالإضافة إلى الألياف الزجاجية أو ألياف السيراميك، لها معامل توصيل حراري منخفض يصل إلى 0.013–0.025 واط/م·ك.

يوفر الإيروجيل أفضل تأثير عزل لكل وحدة حجم ويوفر أيضًا تأثيرًا ملحوظًا في الوزن الخفيف (يتميز الإيروجيل بكثافة منخفضة للغاية، كونه أحد أخف المواد الصلبة المعروفة، مما يوفر ترققًا وتقليل الوزن بمقدار 3-8 مرات مقارنة بالمواد العازلة التقليدية).

ومع ذلك، على الرغم من أن أداء العزل الحراري للإيروجيل استثنائي، إلا أن تشوه ضغطه محدود، ولا تزال قدرته على التخزين المؤقت/الامتصاص غير كافية عند التعامل مع قوى التمدد المتولدة أثناء دورات الخلية. لذلك، يتم استخدامه بشكل عام مع رغوة التوسيد.

3. لوحة الميكا

التركيبة الأساسية: مركب مضغوط من ورق الميكا (90%) ومطاط السيليكون (10%).

صفات:

• مقاومة درجات الحرارة العالية: درجة حرارة الاستخدام المستمر 500-850 درجة مئوية، متقطعة حتى 1050 درجة مئوية.

• العزل: قوة الانهيار ≥20 كيلو فولت/مم، مقاومة الحجم >10¹⁴ Ω·سم.

• القوة الميكانيكية: قوة الانثناء > 200 ميجاباسكال، مقاومة للتآكل الكيميائي.

موقع التطبيق: تُستخدم ألواح الميكا بشكل شائع بين الوحدة وغطاء العلبة لمنع دخان درجة الحرارة المرتفعة المنبعث من فتحة التهوية بعد انصهار الخلية الحرارية من خلال الغطاء أو إتلاف المكونات الهيكلية للوحدة.

4. مركب بوتينغ مقاوم للهب

بالنسبة للخلايا الأسطوانية PACKs، نظرًا لأن أكبر سطح للخلية أسطواني، فإن مركبات تأصيص مثبطات اللهب تستخدم أيضًا بشكل شائع كمواد عازلة. على سبيل المثال، تستخدم حزمة بطاريات الطاقة من Tesla مركبات بوتينغ لملء الفجوات بين البطاريات الأسطوانية، مما يعمل على تجنب انتقال الحرارة بين الخلايا، وتحسين مقاومة الصدمات، وتعزيز الاستقرار الحراري والميكانيكي العام لحزمة البطارية.

التركيب الرئيسي: المواد الأساسية، عامل المعالجة، إضافات مثبطات اللهب، الحشو (لتحسين القوة ومقاومة التآكل).

صفات:

• تثبيط ممتاز للهب: يمكن أن يصل إلى مستوى UL94 V-0، ويتفحم عند الاحتراق لعزل الأكسجين.

• عزل كهربائي جيد: مقاومة الحجم ≥1×10¹⁵ Ω·cm، قوة العزل الكهربائي ≥20 كيلو فولت/مم.

• قوة ربط عالية، مقاومة جيدة للصدمات، مقاومة للحرارة.