إعادة تقييم سلامة بطاريات الليثيوم والمخاطر المرتبطة بها – هل الإلكتروليتات الهلامية هي الحل؟

الطلب على بطاريات الليثيوم-أيون من المتوقع أن يتزايد بوتيرة هائلة. تشير التقديرات إلى أنه بين عامي 2022 و2030، سيزداد الطلب العالمي على هذه البطاريات حتى سبعة أضعاف ليصل إلى 4.7 تيراواط ساعة. 

يُدفع الطلب من خلال الاستخدام الواسع لهذه البطاريات في الإلكترونيات المحمولة وتخزين الطاقة، بما في ذلك السيارات الكهربائية. ومع ذلك، هذه البطاريات ليست خالية من المخاطر. فهي عرضة للحرائق والانفجارات. 

إحدى الحلول لهذه الثغرات تشمل البطاريات شبه الصلبة. فهي تقلل المخاطر من خلال إيجاد وسط بين بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية ذات الإلكتروليت السائل والبطاريات الصلبة. 

الإلكتروليت الشبيه بالهلام، المستخدم كمكوّن، يساعد هذه البطاريات على الحصول على استقرار محسّن وعمر أطول. ومع ذلك، قد تتعرض هذه الإلكتروليتات الهلامية، بسبب معالجتها الحرارية المطولة عند درجات حرارة عالية، لتدهور ملحوظ، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء وزيادة تكاليف التصنيع. كما يواجه عملية التصنيع لإنتاج هذه البطاريات تحديًا بسبب مقاومة الواجهة بين الإلكتروليت شبه الصلب والقطب. 

مؤخرًا، الأستاذ سووجين بارك، سيوها نام، طالب دكتوراه، والدكتورة هي بن سون، باحثة في قسم الكيمياء بجامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH)، توصلوا إلى طرق قابلة للتطبيق لمواجهة هذه التحديات من خلال إنشاء بطارية تعتمد على إلكتروليت هلامي ثابت وقابل للتسويق تجاريًا. 

في الجزء القادم، نتعمق أكثر في فهم آلية عمل البطارية.

إلكتروليت هلامي آمن وقابل للتسويق تجاريًا للبطاريات الليثيوم

في مواجهة تحديات تدهور الإلكتروليتات، انخفاض الأداء، وارتفاع التكاليف، استفاد فريق الباحثين من مادة مضافة قابلة للربط المتعدد الوظائف (CIA) ودِيبنتايريثريتول هيكساإكريليت (DPH) باستخدام تقنية الشعاع الإلكتروني (e-beam).

اتبع الباحثون نهجًا مختلفًا عن عملية التصنيع التقليدية التي تشمل تحضير القطب، حقن الإلكتروليت، التجميع، التفعيل، وإزالة الغازات. 

بدلاً من ذلك، عززوا الوظيفة المزدوجة لـ DPH بإضافة خطوة إشعاع شعاع إلكتروني إضافية بعد عملية إزالة الغازات. وفي الوقت نفسه، عملت CIA كإضافة لتسهيل واجهة ثابتة بين سطح الأنود والكاثود أثناء التفعيل وكعامل ربط لتكوين بنية بوليمرية خلال عملية إشعاع الشعاع الإلكتروني. 

يمكن للحل الناتج أن يقلل بشكل ملحوظ من تولد الغازات نتيجة التفاعلات الجانبية للبطارية خلال عمليات الشحن والتفريغ الأولية. كان الانخفاض حتى 25.5 مرة مقارنةً بالبطاريات التقليدية. كما يمكن للحل الحفاظ على مقاومة الواجهة بثبات بفضل التوافق القوي بين الأقطاب والإلكتروليت الهلامي. 

ومع ذلك، لم يتوقف الباحثون عند هذه الإنجازات. فقد طوروا بطارية عالية السعة بسعة 1.2 أمبير-ساعة، تم اختبارها عند درجة حرارة 55 درجة مئوية — وهي درجة الحرارة التي يبدأ فيها الإلكتروليت بالتدهور. عند 55 درجة مئوية وما فوق، تعاني البطاريات التقليدية التي تستخدم الإلكتروليتات من انخفاض كبير في السعة وانتفاخ بعد 50 دورة. 

من ناحية أخرى، يمكن للبطارية الجديدة الحفاظ على سعة 1 أمبير-ساعة حتى بعد 200 دورة دون توليد غاز، وأظهرت معايير محسنة للسلامة والمتانة. 

أثناء توضيحه لفائدة الاكتشاف العلمي، قال الأستاذ سووجين بارك من POSTECH:

“هذا الإنجاز في الاستقرار والقابلية للتسويق يمثل خطوة رائدة في صناعة السيارات الكهربائية. نأمل أن يساهم هذا التقدم بشكل كبير ليس فقط في السيارات الكهربائية بل أيضًا في مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى التي تعتمد على بطاريات الليثيوم-أيون.”

في الفقرات التالية، سنستعرض بإيجاز بعض تطبيقات بطاريات الليثيوم-أيون.

تطبيقات البطاريات الليثيوم الآمنة

على الرغم من أنها حظيت مؤخرًا بالاهتمام لاستخدامها في السيارات الكهربائية، تُستَخدم بطاريات الليثيوم-أيون أيضًا بأمان في مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى. العديد من هذه التطبيقات جزء أساسي من حياتنا اليومية، وتتطلب قابلية للتسويق وقوة. على سبيل المثال، تُستخدم بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن في أجهزة تنظيم ضربات القلب وتحتاج إلى تشغيل الجهاز لمدة تتراوح عادة بين سبع إلى ثماني سنوات مع الحفاظ على وزنها أقل من 30 جرامًا.

تعتمد الكاميرات الرقمية، خصوصًا DSLR، على بطاريات الليثيوم-أيون لحجمها الصغير وسعتها العالية، مما يوفر أداءً فائقًا مقارنةً بأنواع البطاريات الأخرى. وبالمثل، يعتمد المساعدون الرقميون والهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة على هذه البطاريات الآمنة والموثوقة من حيث المتانة، كثافة الطاقة العالية، الخفة، سهولة الشحن، وتكاليف الصيانة المنخفضة.

علاوة على ذلك، تُستَخدم بطاريات الليثيوم-أيون الصغيرة ذات سعة 3 فولت في أجهزة بحجم الساعات، والتي يمكن أن تدوم حتى عقد من الزمن. كما تُشغِّل هذه البطاريات حلول التنقل مثل السكوترات الشخصية، عربات الغولف، والعربات الصغيرة، بفضل قدرتها على تخزين وإطلاق الشحنة الكهربائية بكفاءة. تجعل هذه القدرة منها مثالية لتطبيقات مثل أنظمة UPS، النسخ الاحتياطية للطاقة الطارئة، وتخزين الطاقة الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم بشكل متزايد في مجالات ناشئة مثل المركبات البحرية والترفيهية، وكذلك الأجهزة الطبية المحمولة المصممة للارتداء.

أدى الاعتماد المتزايد على بطاريات الليثيوم إلى زيادة في إنتاجها وتصنيعها. ومع ذلك، من الضروري أن تكون هذه العمليات آمنة وقابلة للتسويق بقدر ما هي البطاريات نفسها. يبرز هذا القلق الحريق المأساوي الأخير في منشأة بطاريات الليثيوم في كوريا الجنوبية، الذي أسفر عن مقتل 22 عاملًا.

انقر هنا لتعرف كيف يسعى صانعو البطاريات لتلبية الطلب المتزايد. 

حريق في منشأة بطاريات الليثيوم في كوريا الجنوبية

في 24 يونيو، اندلع حريق مدمر في مصنع بطاريات الليثيوم في كوريا الجنوبية، نتيجة لانفجارات متعددة للبطاريات، مما أدى إلى مقتل 22 عاملًا. تُدار المنشأة من قبل الشركة المصنعة الرئيسية للبطاريات أرِسِل، وتقع في هويسونغ، منطقة صناعية جنوب غرب سيول.

بعد وقت قصير من اندلاع الحريق، انتشر الغاز السام بسرعة في جميع أنحاء المصنع، الذي كان يخزن ما يصل إلى 35,000 بطارية في ذلك الوقت. موضحًا السبب المحتمل لخطورة الحريق، قال البروفيسور كيم جاي-هو، أستاذ الوقاية من الحرائق والكوارث في جامعة دايجون:

“مواد البطاريات مثل النيكل سريعة الاشتعال. لذا غالبًا لا يتوفر وقت كافٍ للاستجابة، مقارنةً بحريق ناتج عن مواد أخرى.”

كما أشار الخبراء إلى أن عدد الضحايا ارتفع بسبب المواد السامة المستخدمة وليس بسبب الحروق. 

هل يمكن الوقاية من مثل هذه الحالات؟

يجب دائمًا توخي الحذر عند التعامل مع بطاريات الليثيوم-أيون، حيث أنها أعلى كثافة طاقة حجمية بين أجهزة تخزين الطاقة. نشرت إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) إرشادات مفصلة حول الوقاية من حوادث الحريق والانفجار في الأجهزة الصغيرة والقابلة للارتداء التي تعمل ببطاريات الليثيوم.

نشرت معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أحد أعرق معاهد التعليم التكنولوجي في العالم، أيضًا دليل سلامة بطاريات الليثيوم-أيون. وفقًا لتعليماتهم، يجب أن تكون أي مساحة عمل تتعامل مع هذه البطاريات مصنوعة من مواد غير موصلة وغير قابلة للاشتعال.

إذا كان لا بد من العمل على سطح موصل، يُنصح بتغطيته بمواد عازلة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المنطقة خالية من المواد القابلة للاشتعال أو الاحتراق مثل الطاولات الخشبية، السجاد، البنزين، أو الأدوات الحادة التي قد تخترق الغلاف العازل للخلية. تتراوح درجات الحرارة المثلى للعمل بين 15 و35 درجة مئوية، ولا يجب أن تتجاوز درجة الحرارة المحيطة 60 درجة.

يلعب التخزين السليم دورًا حاسمًا في تقليل خطر الحريق والانفجار. يربط التقرير العديد من حرائق بطاريات الليثيوم-أيون بمناطق تخزين غير ملائمة. للحفاظ على أعلى معايير السلامة، يجب أن تأخذ منطقة التخزين في الاعتبار عوامل مثل تصميم الخلية، الكيمياء، درجة الحرارة، حالة الشحن، وطول فترة التخزين.

يجب على وحدات تصنيع البطاريات اعتماد إجراءات أمان صارمة، حيث إن الحرائق في منشآت بطاريات الليثيوم يمكن أن تكون كارثية ليس فقط بسبب الحريق نفسه بل أيضًا بسبب السمية الناتجة.

بينما يمكن تحسين الأمان في التصنيع باستمرار، يجب أن تكون البطاريات آمنة بطبيعتها. بعض الشركات تستثمر باستمرار في إنتاج بطاريات الليثيوم الآمنة. في الفقرات القادمة، سنستعرض هذه الشركات.

#1. بطاريات باناسونيك إنرجي الليثيوم-أيون

تكرس باناسونيك جهودها لضمان سلامة البطاريات مع زيادة سعاتها، وتتركز على تطوير مواد بطارية متقدمة، تحسين العمليات، وإنشاء تقنيات تحكم لضمان استخدام آمن وموثوق للبطاريات.

تتمتع بطارياتها بمستوى عالٍ من القدرة على تحمل درجات الحرارة، حيث يزداد خطر الانفجار عندما تُسخن البطاريات فوق 100 درجة مئوية. ومع ذلك، تدرك باناسونيك أن تكديس أو خلط البطاريات قد يسبب دوائر قصيرة خارجية، توليد حرارة، حريق أو انفجار.

تتبع الشركة إرشادات صارمة للتعامل والتخزين، حيث لا تسمح باتصال أطراف البطارية ببعضها أو مع معادن أخرى أثناء التعبئة. تستخدم مواد تعبئة قوية لحماية البضائع من الاهتزاز، الصدمات، السقوط، والتكديس أثناء النقل. كما توصي باناسونيك بحفظ البطاريات في درجة حرارة الغرفة وشحنها إلى حوالي 30-50٪ من السعة.

تنتج مجموعة من منتجات بطاريات الليثيوم، بما في ذلك البطاريات الأسطوانية، البطاريات المنشورية، بطاريات النوع الكيس، والبطاريات ذات الدبابيس.

وفقًا لأحدث تقرير متكامل متاح للمجموعة، سجلت الشركة إيرادات مبيعات بلغت 8,378.9 مليار ين في عام 2023.

#2. حلول الطاقة من إل جي

تُعد حلول الطاقة من إل جي علامة تجارية عالمية رائدة أخرى تعمل وفقًا لإرشادات واضحة في تصنيع حزم بطاريات الليثيوم-أيون. تحظر استخدام خلايا بطاريات الليثيوم-أيون التي تعرضت لأي سقوط في تصنيع الحزم.

لمنع حدوث قصر كهربائي، يجب إبقاء خلايا بطاريات الليثيوم-أيون بعيدًا عن الأجسام المعدنية ومعالجتها في بيئات تمنع الضرر أو التلوث.

علاوة على ذلك، لا ينبغي إجراء اللحام مباشرة على سطح خلايا بطاريات الليثيوم-أيون، ولا يجب تعريض الخلايا لحرارة أو ضغط مكثف أثناء عملية اللحام.

في عام 2023، سجلت إل جي حجم مبيعات قدره 84,228 مليار وون كوري، وهو زيادة طفيفة عن 83,467 مليار وون كوري في عام 2022، لكن زيادة ملحوظة عن 73,908 مليار وون كوري في عام 2021.

مخاوف سلامة بطاريات الليثيوم-أيون: مراجعة شاملة

البحث الذي حقق بشكل موسع في مخاوف سلامة بطاريات الليثيوم-أيون أشار إلى عدة قضايا محتملة قد تظهر كتهديد أو تشكل خطرًا.

تعد الانفجارات الحرارية، التي تُعد من أخطر مشكلات السلامة في بطاريات الليثيوم-أيون، ناتجة عن تفاعلات جانبية. يمكن أن تحدث هذه التفاعلات داخل الإلكتروليت، بين القطب الموجب والقطب السالب، وعلى واجهات أسطح الأقطاب وتراكم الليثيوم. غالبًا ما تُثار هذه الانفجارات بسبب سوء الاستخدام الميكانيكي أو الحراري أو الكهربائي.

يمكن أن يؤدي سوء الاستخدام الميكانيكي إلى مشكلات سلامة في بطاريات الليثيوم-أيون، كما يمكن لسوء الاستخدام الكهربائي أن يضعف من سلامتها. وبالمثل، فإن سوء الاستخدام الحراري، حيث يتعرض البطاري إلى صدمة حرارية أو يصل إلى درجات حرارة مرتفعة جدًا، يشكل أيضًا مخاطر كبيرة.

كما يحدد البحث استراتيجيات لتحسين السلامة، داخليًا وخارجيًا. عنصر حاسم لتعزيز سلامة بطاريات الليثيوم-أيون (LIB) هو نظام تبريد مدمج مصمم جيدًا. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري الحفاظ على التوازن الصحيح بين الخلايا؛ وهذا يتضمن قياس ومقارنة الفولتية، السعات، أو حالة الشحن (SOC) لجميع الخلايا بعد كل دورة شحن.

يمكن للمصنعين اتباع عدة أطر لضمان سلامة الإنتاج. في الواقع، نشرت العديد من الدول بالفعل مثل هذه المعايير، بما في ذلك المعيار الصيني، معيار جمعية مهندسي السيارات (SAE)، معيار اللجنة الدولية للتقنية الكهربائية (IEC), معيار الأمم المتحدة (UN), المعيار الصناعي الياباني (JIS), وغيرها.

بشكل عام، نعيش في زمن يهيمن عليه الأجهزة الإلكترونية، مما يؤدي إلى اعتماد متزايد على بطاريات الليثيوم. بينما نسعى لتحقيق كفاءة وسرعة أكبر في تقنياتنا، يجب أن نضمن أن السلامة تظل أولوية. الحادث الأخير في كوريا الجنوبية يُعد تذكيرًا واضحًا بأهمية هذا التوازن، مؤكدًا الحاجة إلى منع مثل هذه الحوادث المؤسفة في المستقبل.

انقر هنا لتعرف على أفضل عشر أسهم بطاريات للاستثمار فيها.