خوارزمية جديدة قد تجعل بطاريات ليثيوم أيون أكثر أمانًا

2019-09-12 18:06:40

بطاريات أيونات الليثيوم خطيرة بطبيعتها. يمكن أن تؤدي الدوائر القصيرة ، والإساءة الميكانيكية ، والشحن الزائد للبطارية ، وتصميم وتصنيع العيوب إلى نشوب حريق أو انفجار. في عام 2017 ، أفادت إدارة الطيران الفيدرالية بوجود حريق في بطارية ليثيوم أيون كل 10 أيام على الطائرات. لكن بطاريات أيونات الليثيوم أصبحت أيضًا أجهزة تخزين الطاقة الرائدة في الهواتف المحمولة والأجهزة الطبية والسيارات الكهربائية وشبكات الطاقة المتجددة. هذا هو السبب في أن فهم كيفية وسبب فشلهم هو مسألة تتعلق بالأمن الشخصي والوطني.

ربما وجد الباحثون في جامعة كولورادو دنفر والمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) طريقة لجعل بطاريات الليثيوم أيون أكثر أمانًا من خلال اكتشاف الأعطال قبل اشتعال البطاريات. باستخدام خوارزمية جديدة في الوقت الفعلي ، سيتمكن الباحثون من تقدير شحنة وصحة الأقطاب الكهربائية الفردية داخل البطاريات. ستقوم الخوارزمية بتتبع حالات الفشل على مستوى القطب الكهربائي عند حدوثها وستوفر فرصة لاتخاذ إجراء تصحيحي (مثل إغلاق البطارية) قبل أن يصبح الفشل كارثيًا.

نُشرت الدراسة في مجلة IEEE Transactions on Industrial Electronics.

قال ساتادرو داي ، أستاذ مساعد للهندسة الكهربائية في كلية الهندسة والتصميم والحوسبة في CU Denver: "إن أكبر تحدٍ لنا هو أنه لا يمكن لأحد رؤية ما يجري داخل البطارية". "استكشفت معظم الأبحاث حول خوارزميات إدارة البطارية في الوقت الفعلي البطاريات من وجهة نظر على مستوى الخلية. ولكن لمعرفة ما يحدث داخل البطارية على وجه التحديد ، نحتاج إلى زيادة التكبير والتركيز على الأقطاب الكهربائية الفردية ".

تفشل بطاريات ليثيوم أيون بسرعة

وذلك لأنه عندما تفشل بطارية ليثيوم أيون ، تفشل بسرعة. أثناء شحن البطارية أو تفريغها ، تتحرك أيونات الليثيوم بين قطبي البطارية من خلال إلكتروليت شبيه بالهلام شديد القابلية للاشتعال. تبدأ لحظة الفشل - سواء من التصميم السيئ أو الحرارة الزائدة - "هروب حراري": تراكم الحرارة التي تنمو في حلقة تغذية مرتدة إيجابية لا يمكن التحكم فيها حتى تنتهي بنار أو انفجار ، وأحيانًا في غضون ثوان الفشل الأولي.

غالبًا ما يستخدم نظام إدارة البطارية (BMS) الموجود في السيارات والأنظمة الأخرى الكبيرة خوارزميات لإخبار البطاريات بكيفية الشحن أو التفريغ ، ومراقبة مقدار الشحن المتبقي ، وأحيانًا تتبع الحالة العامة للبطارية. في الوقت الحالي ، يمكن أن تفعل القليل للاستجابة لمشكلات فشل البطارية الداخلية.

"هدفنا هو معرفة كيفية تزوير النظام لاتخاذ بعض الإجراءات التصحيحية في اللحظة الأولى من الخطأ في البطارية. لتحقيق ذلك ، فإن الخطوة الأولى هي الكشف عن الخطأ في مرحلة مبكرة جدًا.

سلامة البطارية متخلفة عن الابتكار

في الدراسة ، قام الباحثون بقياس الجهد عبر الأقطاب الكهربائية ، وتحديد الفرق بين الاثنين. ثم أنشأوا مخططًا لتقدير الوقت الحقيقي الذي يغمر معلومات القطب المنفصلة ، مما يمنح الباحثين إحساسًا بسعة وشحنة كل قطب.

قال داي: "كلما حصلنا على مزيد من المعلومات حول الأقطاب الكهربائية الفردية ، كان من الممكن اتخاذ إجراء تصحيحي أفضل". "إذا علمنا أن القطب السالب يموت بسرعة أكبر من القطب الموجب ، أو أي قطب به عيب ، يمكننا التفكير في إجراء تصحيحي قد يبطئ مثل هذا الخطأ. من ناحية أخرى ، كلما تعلمنا أكثر عن آليات تعطل قطب البطارية ، زاد احتمال بناء بطاريات أفضل ".

في الوقت الحالي ، يمكن للتقدير الكشف عن الخطأ في غضون 100 ثانية ، ولكن هذا يجب أن يكون أسرع بكثير في المستقبل ، حسبما قال داي. في النهاية ، الهدف هو تطوير BMS متقدم يمكنه تشغيل نوع من الإجراءات التصحيحية الداخلية في اللحظة الأولى من الخطأ لإيقاف البطارية من الدخول في ظروف هروب حراري. من المهم بالنسبة إلى Dey ، لأنه يعتقد أن سلامة البطارية تخلفت دائمًا عن الابتكار.

قال داي: "عندما يتحدث الناس عن البطاريات ، غالبًا ما يتعلق الأمر بكيفية تحسين الكفاءة والطاقة ومخرجات الطاقة". "ولكن يجب أن تكون السلامة دائمًا أكثر أهمية. لا أحد يرغب في القيادة حول سيارة فعالة يمكن أن تنفجر ".