فهم Thermal Runaway: المحفزات والآلية
يصف Thermal Runaway تفاعلاً حرارياً ذاتي التسارع في خلية ليثيوم: عندما تتجاوز درجة حرارة الخلية عتبة حرجة، تبدأ تفاعلات طاردة للحرارة — تحلل الإلكتروليت، انهيار الفاصل، تفاعل الليثيوم المنطلق مع الرطوبة أو الأكسجين. تُسرع الحرارة المنطلقة التفاعل أكثر حتى تفشل الخلية حرارياً. تُسخَّن الخلايا المجاورة في هذه العملية ويمكن أن تدخل بدورها في Runaway — ما يُعرف بـ انتشار خلية إلى خلية.
تنقسم المحفزات إلى ثلاث فئات: ميكانيكية — اختراق جسم موصل (مسمار، شظية)، تشوه شديد من صدمة أو سحق؛ حرارية — مصادر حرارة خارجية (حريق في المحيط، تبريد غير كافٍ)، تشغيل مستمر خارج نطاق درجات الحرارة؛ كهربائية — شحن زائد فوق الجهد الأعلى للخلية، تفريغ عميق دون الحد الأدنى، دارة قصيرة خارجية. يمنع BMS سليم محفزات الكهرباء بشكل موثوق. تستلزم التأثيرات الميكانيكية والحرارية تدابير تصميمية في الحزمة وفي وضع التركيب.
التخزين الآمن: SoC، درجة الحرارة، المسافات، أقسام الحريق
يخضع تخزين حزم بطاريات الليثيوم في العمليات الصناعية لقواعد واضحة. حالة الشحن (SoC): للتخزين المطوَّل (أسابيع إلى أشهر) يُوصى بـ SoC بين 30–50 %. الحزم المشحونة بالكامل (SoC >80 %) تتقادم أسرع وتُسهم بمزيد من الطاقة في حدث حريق. الحزم المفرغة عميقاً (<10 %) قد تنخفض دون الحد الأدنى بسبب التفريغ الذاتي، مما يتلف الأنود بشكل لا رجعة فيه.
درجة الحرارة: يجب تخزين بطاريات الليثيوم بين +5 °C و+25 °C. يقلل البرد التفريغ الذاتي، والحرارة تُسرع التقادم وترفع الضغط الداخلي. يجب تجنب ضوء الشمس المباشر والتخزين قرب مصادر الحرارة.
الفصل المكاني وأقسام الحريق: يجب تصميم غرف تخزين بطاريات الليثيوم كأقسام حريق منفصلة — فئة مقاومة النار F30 أو أفضل. للكميات الأكبر يلزم التنسيق مع مسؤول السلامة من الحرائق والجهة المختصة عند الاقتضاء.
الوسم: يجب وسم الحزم المخزنة بوضوح (الجهد، السعة، الكيمياء). يجب عزل الحزم المعطوبة أو التالفة فوراً وتخزينها بشكل منفصل — وليس على الرف نفسه مع الوحدات السليمة.
تدابير الحماية من الحرائق والمعايير
تُعد عدة معايير وإرشادات مناسبة في البيئة التجارية. تحدد IEC 62619 متطلبات السلامة للخلايا والبطاريات الليثيومية الثابتة والمتنقلة. تنظم UN 38.3 اختبارات النقل (الاهتزاز، الصدمة، الحمل الحراري، الشحن الزائد، الدارة القصيرة، السحق، التأثير) — يجب توفر شهادة اختبار مقابلة لكل حزمة بطاريات تُنقل أو تُسلَّم.
للحماية من الحرائق أثناء التشغيل: أجهزة كشف الدخان في مناطق التخزين إلزامية. للمخزونات الأكبر من البطاريات، يوصي خبراء الحماية من الحرائق في الغالب بأنظمة إطفاء تلقائية — أنظمة الإطفاء بالماء (رشاشات) مناسبة من حيث المبدأ لبطاريات ليثيوم أيون. يمكن لبطانيات الإطفاء أن تُحيط الحزم الفردية خلال بداية Thermal Runaway، لكنها لا تُغني عن الماء.
في عمليات AGV بالإضافة: يجب سحب المركبات ذات السلوك الحراري الشاذ (هيكل ساخن، رائحة غريبة، هيكل منتفخ) من الخدمة فوراً وإيقافها في منطقة أكثر أماناً — يُفضل على سطح غير قابل للاشتعال وبمسافة كافية من المركبات والرفوف الأخرى.
الإطفاء الصحيح لحرائق الليثيوم
الأسطورة الشائعة بأن الماء محظور لحرائق الليثيوم تنبع من كيمياء الليثيوم المعدني العنصري (مثلاً في الخلايا الأولية أو في تعدين الليثيوم) — وليس من بطاريات ليثيوم أيون. عندما تحترق حزمة بطاريات ليثيوم أيون، لا يتفاعل الماء مع الليثيوم في الأقطاب الكهربائية (الموجود كليثيوم مُداخَل) بل يُبرد الحزمة. الكميات الكبيرة من الماء هي الوسيلة الأكثر فعالية لتبريد Thermal Runaway ومنع انتشاره إلى الخلايا المجاورة.
تنصح الإطفاء عملياً بـ: وضع الحزمة المشتعلة إن أمكن في حاوية مملوءة بالماء (حوض معدني، وعاء IBC) أو إغراقها باستمرار بالماء. الهدف هو التبريد دون عتبة التفاعل — يمكن أن تظل الكيمياء نشطة لساعات دون إعادة الاشتعال طالما يُحافظ على التبريد الكافي. تُخمد طفايات CO₂ منطقة اللهب المرئية لكن ليس لها تأثير تبريدي على تفاعل الخلية وهي غير كافية للحزم الأكبر. طفايات المسحوق تُلوث التجهيزات وتُعيق الرؤية لكنها أيضاً لا تُبرد.
بعد حدث الحريق، يجب التعامل مع الحزمة المتضررة كبضاعة خطرة وجمعها من قِبل شركة تخلص متخصصة. حتى إذا بدت الحزمة سليمة من الخارج يجب سحبها من الخدمة — الخلايا التالفة حرارياً قد تدخل مجدداً في Thermal Runaway بعد ساعات إلى أيام من الحدث.
كيف يُقلل BMS وكيمياء الخلايا من المخاطر
يمنع BMS المصمَّم بشكل صحيح بشكل موثوق المحفزات الكهربائية الرئيسية لـ Thermal Runaway: يحجب الشحن عند الجهد الزائد، والتفريغ عند الجهد الناقص، وكليهما عند الحرارة الزائدة. يكتشف فوارق جهد الخلايا التي قد تشير إلى خلية تالفة ميكانيكياً أو متقادمة ويُبلغ عن الشذوذات عبر CAN-Bus أو Profinet إلى وحدة تحكم الآلة. للاستخدام الصناعي يجب أن يُقيِّم BMS إضافياً مستشعرات الحرارة في نقاط متعددة من الحزمة.
كيمياء الخلايا: LiFePO4 (ليثيوم حديد فوسفات) أكثر استقراراً حرارياً من Li-NMC. السبب يكمن في طاقة الرابطة لمادة الكاثود: يُطلق LiFePO4 أكسجيناً أقل بكثير عند التسخين مقارنةً بكاثودات NMC، مما يُبطئ التفاعل الطارد للحرارة في Thermal Runaway بشكل ملحوظ. في التطبيقات الصناعية حيث تكون السلامة والطول العمر أولوية على كثافة الطاقة، يُعد LiFePO4 لذلك الخيار المفضل — كذلك في Hellpower Energy لتطبيقات AGV و FTS.