Limiting internal short-circuit damage by self-fusing tabs for high-safety lithium-ion batteries

داخل البطاريات الأنيقة والقوية التي تشغل سياراتنا الكهربائية وتخزن الطاقة للشبكة، يكم-ن خطر صامت. هذه الأجهزة مبنية من طبقات عديدة رقيقة من المواد المتراصة مثل أوراق اللعب، والتي تعمل جميعها معاً لحفظ وتفريغ الكهرباء. وعندما يتكون خلل صغير في الداخل، مثل تمزق مجهري أو قطعة معدنية شاردة، يمكن أن يخلق ذلك مساراً مباشراً لتدفق الكهرباء حيث لا ينبغي لها أن تتدفق. يُسمى هذا بالدائرة القصيرة الداخلية (الماس الكهربائي الداخلي). في البطارية العادية، يعمل هذا الخلل مثل المصرف، حيث يسحب الطاقة من الطبقات السليمة المحيطة به. تندفع الكهرباء عبر هذه النقطة الضعيفة، مما يولد حرارة شديدة في جزء من الثانية. وإذا تراكمت هذه الحرارة بسرعة أكبر مما يمكنها الهروب منه، فإن ذلك يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات حيث تتحلل مواد البطارية، وتطلق الأكسجين، ثم تشتعل. يمكن لهذه العملية المتسارعة أن تحول خللاً محلياً صغيراً إلى حريق عنيف يلتهم الخلية بأكملة. لعقود من الزمن، حاول المهندسون منع ذلك بجعل المواد أكثر صلابة أو بإضافة مستشعرات للتحذير من المشاكل، لكن هذه الأساليب غالباً ما تكون بطيئة الاستجابة أو تكتفي بتأجيل الحتمية بدلاً من وقف تدفق الطاقة من مصدرها.

اقترح فريق من الباحثين الآن نهجاً مختلفاً يعمل مثل "فيوز" (مصهر) ذاتي إعادة الضبط مبني مباشرة في قلب البطارية. فبدلاً من محاولة مقاومة الحرارة أو انتظار إشارة تحذير، يقوم تصميمهم بقطع إمداد الطاقة بنشاط في اللحظة التي يبدأ فيها ماس كهربائي خطير. يكمن الابتكار الرئيسي في الألسنة المعدنية (tabs) التي تربط طبقات البطارية الداخلية. في البطارية القياسية، تكون هذه الألسنة قطعاً معدنية صلبة تنقل الكهرباء بكفاءة. أما في التصميم الجديد، فقد وضع الباحثون قطعة صغيرة من سبيكة معدنية خاصة داخل كل من هذه الألسنة. وقد اختيرت هذه السبيكة لأنها تنصهر عند درجة حرارة منخفضة نسبياً وتوصل الكهرباء بشكل جيد جداً. في الظروف العادية، تعمل البطارية تماماً كما ينبغي، حيث تعمل السبيكة كجسر مثالي للتيار. ومع ذلك، إذا حدث ماس كهربائي شديد، فإن الاندفاع المفاجئ للكهرباء عبر تلك الطبقة المحددة يولد حرارة فورية تقريباً. هذه الحرارة تصهر قطعة السبيكة في أقل من ثانية، مما يؤدي إلى انصهار المعدن وانفصال الاتصال الكهربائي مادياً.

أثبت الباحثون أن هذا الانقطاع الميكانيكي البسيط فعال للغاية في منع الكوارث. فعندما تسببوا في حدوث ماس كهربائي في بطارية قياسية، ارتفعت درجة الحرارة في الداخل لتصل إلى ما يقرب من 386 درجة مئوية، وانتفخت الخلية، وانبعث منها دخان كثيف، واشتعلت فيها النيران. انهار الجهد الكهربائي تماماً، وتدمرت المواد الداخلية. وفي المقابل، عندما أجروا الاختبار نفسه على بطارية مزودة بهذه الألسنة ذاتية الانصهار، كانت النتيجة مختلفة تماماً. في اللحظة التي بدأ فيها الماس الكهربائي، اندفع التيار، وانصهرت السبيكة، وانقطع الاتصال. ارتفعت درجة حرارة البطارية بنحو 45 درجة مئوية فقط قبل أن تبدأ في البرودة. لم يكن هناك دخان، ولا حريق، ولا انتفاخ. انخفض الجهد لفترة وجيزة ثم تعافى، مما سمح لبقية البطارية بالاستمرار في العمل بأمان. لقد تم عزل الطبقة المعيبة، مما قطع إمداد الطاقة الذي كان سيغذي الحريق لولا ذلك، بينما استمرت الطبقات السليحة المتبقية في العمل.

لفهم سبب نجاح هذا الأمر بهذا الشكل، توجب على الفريق أولاً إثبات ما الذي يسبب بالفعل دخول البطارية في حالة "الهروب الحراري". واكتشفوا أن طبقة واحدة تالفة، إذا عُزلت عن بقية البطارية، لا يمكنها توليد حرارة كافية بمفردها للتسبب في فشل كارثي. فحتى عندما تسبب الماس الكهربائي في حدوث طفرة هائلة في التيار، ظلت درجة الحرارة منخفضة طالما أن الطبقة التالفة مفصولة عن جاراتها. وتنشأ الخطورة فقط عندما تستمر الطبقات السليمة المتصلة على التوازي في ضخ الطاقة نحو النقطة المعيبة. هذا التدفق المستمر للطاقة يدفع درجة الحرارة للارتفاع حتى تصبح كيمياء البطارية غير مستقرة. ومن خلال قطع هذا التدفق في بدايته، تمنع الألسنة ذاتية الانصهار الحرارة من الوصول إلى النقطة الحرجة التي تبدأ عندها مواد البطارية في التحلل وإطلاق الأكسجين.

يعالج التصميم أيضاً التحديات العملية لبناء مثل هذه البطارية. فقد وجد الباحثون أن قطعة السبيكة يجب أن تكون رقيقة بما يكفي لتنصهر بسرعة، ولكن قوية بما يكفي لتتحمل عملية التصنيع. واكتشفوا أن طبقة بسمك يتراوح بين 25 و40 ميكرومتر توفر التوازن الصحيح، حيث تنصهر في أقل من ثانية أثناء حدوث خلل. ولحماية السبيكة الدقيقة من التفاعل مع كيمياء البطارية أثناء الاستخدام العادي، قاموا بطلاءها بطبقة رقيقة جداً من الإيبوكسي. جعل هذا الطلاء اللسان أقوى بكثير، مما سمح له بتحمل الإجهاد البدني أثناء التجميع دون أن ينكسر، مع استمرار السماح للكهرباء بالمرور بحرية. وأظهرت الاختبارات أن البطاريات المزودة بهذه الألسنة أدت وظيفتها تماماً مثل البطاريات القياسية على مدار مئات دورات الشحن، محافظة على سعتها وكفاءتها دون أي تدهور.

اختبر الباحثون هذا المفهوم تحت مجموعة متنوعة من الظروف القاسية لضمان عمله في العالم الحقيقي. فقد عرضوا البطاريات لإساءة استخدام كهربائية شديدة عبر فرض ماس كهربائي هائل، ولإساءة استخدام ميكانيكية عبر الضغط بأجسام حادة ومستديرة على الخلايا لمحاكاة حوادث الاصطدام أو الثقب. وفي كل حالة حدث فيها ماس كهربائي خطير وعالي التيار، انصهرت الألسنة وعزلت الخلل. وحتى عندما كان الضرر الميكانيكي شديداً لدرجة تسببت في ماس كهربائي، ظلت البطارية مستقرة طالما كان التيار عالياً بما يكفي لتفعيل "الفيوز". ومن المثير للاهتمام أن الضرر الميكانيكي إذا تسبب في ماس كهربائي ضعيف ومنخفض التيار فقط، فإن الألسنة لا تنصهر. وهذه ميزة حاسمة لأنها تعني أن البطارية لن تتوقف عن العمل دون داعٍ بسبب أعطال بسيطة وغير ضارة. فالنظام ذكي بما يكفي للتمييز بين التلامس التافه والاندفاع المهدد للحياة، ويتدخل فقط عندما يكون الخطر حقيقياً.

كما بحثت الدراسة في كيفية توسيع نطاق هذه التكنولوجيا لتشمل بطاريات أكبر. فبدلاً من وضع "فيوز" في كل طبقة، مما يجعل التصنيع معقداً، أظهر الفريق أنه يمكن لمجموعات من الطبقات أن تتشارك في "فيوز" واحد. وفي اختبار قسموا فيه البطارية إلى ثلاثة أقسام، أدى الماس الكهربائي في أحد الأقسام إلى تفعيل "الفيوس" لهذا القسم بأكمله، مما عزله بينما استمر القسمان الآخران في العمل بشكل طبيعي. يشير هذا النهج التركيبي (الموديولي) إلى إمكانية تكييف هذه التكنولوجيا مع مجموعات البطاريات الكبيرة دون زيادة هائلة في صعوبة الإنتاج. واختبر الباحثون آلية السلامة هذه عبر ستة أنواع مختلفة من كيمياء البطاريات التجارية، وفي كل حالة، نجحت الألسنة ذاتية الانصهار في منع الهروب الحراري، محافِظة على ذروة درجات الحرارة تحت 45 درجة مئوية، بينما وصلت البطاريات القياسية في نفس الاختبارات إلى درجات حرارة تتجاوز 400 درجة مئوية.

يمثل هذا العمل تحولاً في طريقة تفكيرنا في سلامة البطاريات. فبدلاً من الاعتماد على مواد خاملة تحاول مقاومة الحرارة أو أنظمة خارجية تحاول اكتشاف المشاكل بعد بدئها، يقوم هذا النهج ببناء دفاع نشط مباشرة داخل بنية البطارية. إنه يتقبل حقيقة وقوع الأعطال ويوفر وسيلة لاحتوائها فوراً. ومن خلال قطع إمداد الطاقة في اللحظة التي يبدأ فيها ماس كهربائي خطير، توقف البطارية سلسلة التفاعلات قبل أن تبدأ. والنتي نتيجة ذلك هي بطارية يمكنها النجاة من أنواع الإساءة التي تؤدي عادةً إلى نشوب حريق، مما يوفر مستوى جديداً من الأمان للأجهزة عالية الطاقة التي أصبحت ضرورية في حياتنا المعاصرة.