מהי בריחת תרמית?

בריחת תרמית היא תהליך בלתי ניתן לשליטה, -חימום עצמי בסוללות ליתיום- שבהן הטמפרטורה הפנימית עולה מהר יותר ממה שהיא יכולה להתפוגג, מה שמעורר תגובות כימיות שיוצרות חום נוסף בלולאת משוב מסוכנת. תופעה זו עלולה להוביל לשריפות בסוללות, לפיצוצים ולשחרור גזים רעילים.

כיצד מתפתחת בריחת תרמית בתאי סוללה

התהליך מתחיל כאשר תא סוללה חווה לחץ מתקלות פנימיות או גורמים חיצוניים. בתוך תא יון -ליתיום, תגובות אלקטרוכימיות בדרך כלל מייצרות כמויות קטנות של חום שניתן לניהול במהלך הטעינה והפריקה. כאשר משהו משבש את האיזון הזה-פגם בייצור, נזק פיזי או שימוש לרעה בחשמל-יצירת החום מואצת מעבר ליכולת הקירור של התא.

עליית הטמפרטורה באה בעקבות התקדמות צפויה דרך שלושה שלבים קריטיים. במהלך שלב החימום העצמי- הראשוני, הטמפרטורות מטפסות מסביב ל-50 מעלות ל-140 מעלות כאשר שכבת הבין-פאזה האלקטרוליטית המוצקה (SEI) מתחילה להתפרק. המפריד, קרום דק המרחיק את האנודה והקתודה, מתחיל לאבד שלמות מבנית.

ברגע שהטמפרטורה הפנימית חוצה 140 מעלות, שלב הבריח מואץ באופן דרמטי. המפריד נמס, ומאפשר מגע ישיר בין אלקטרודות. זה יוצר קצרים פנימיים שמגבירים את קצב ייצור החום מעל 20 מעלות לדקה. חומרי קתודה משחררים חמצן בזמן שהאלקטרוליט מתפרק, ומייצרים גזים דליקים כולל מתאן ואתאן. טמפרטורות שיא יכולות לעלות על 850 מעלות -חמות מספיק כדי להצית חומרים מסביב באופן מיידי.

שלב הסיום הסופי מתרחש כאשר מגיבים נצרכים או האוורור משחרר לחץ. בשלב זה, התא בדרך כלל קרע את המעטפת שלו וגירש תערובת של גזים רעילים, חלקיקי מתכת ופסולת בוערת. חום המוקרן מתא כושל אחד יכול להפעיל תאים שכנים, ולגרום לבריחה תרמית להתפשט דרך ערכת סוללות שלמה בתוך דקות.

מחקר שפורסם בדוחות מדעייםבשנת 2025 תיעד כיצד תא בודד שחווה בריחת תרמית בחבילת סוללות 3×3 התכלה לחלוטין תוך 5.4 דקות, כאשר מפל החום הורס את כל תשעת התאים תוך 6.16 דקות בלבד.

סיבות ראשוניות ומנגנוני טריגר

גורמים מרובים יכולים ליזום בריחה תרמית, ולעתים קרובות פועלים בשילוב כדי לדחוף את הסוללה מעבר לסף הבטיחות שלה.

קצרים פנימיים

פגמי ייצור יוצרים את הסיכון הערמומי ביותר. מזהמי מתכת מיקרוסקופיים, אי יישור אלקטרודות או פגמים במפריד עלולים לגרום לקצרים פנימיים שנים לאחר הייצור. כאשר סוללה מזדקנת באמצעות מחזורי טעינה חוזרים, דנדריטים-מחט-כמו משקעי ליתיום-צומחים מהאנודה. מבנים אלה חודרים בסופו של דבר את המפריד, ויוצרים מסלולים חשמליים ישירים בין אלקטרודות.

ריקול של Li Auto משנת 2024 שהשפיע על 11,411 כלי רכב חשמליים נבע מהגנה לא מספקת מפני קורוזיה של נוזל קירור שהובילה לכשלים במערכת הקירור. תנאי התחממות היתר שנוצרו יצרו סיכוני בריחה תרמיים שגרמו לפעולה מיידית לאחר תקרית שריפה בשנחאי.

שימוש לרעה בחשמל

טעינת יתר נותרה גורם מוביל לאירועי בריחה תרמית. כאשר מתח הטעינה חורג מהסף המקסימלי של התא-בדרך כלל סביב 4.2V עבור תאי ליתיום-סטנדרטיים-לוחית עודף יוני ליתיום על פני האנודה במקום להשתלב כראוי. ציפוי ליתיום זה הופך לא יציב בטמפרטורות גבוהות.

טעינה מהירה מחמירה את הבעיה. זרימת זרם מהירה מייצרת חום מוגזם באמצעות התנגדות פנימית, במיוחד בתאים ישנים או מושפלים. נתונים מתוכניות בטיחות תעופה מראים ש-סיגריות אלקטרוניות ומטענים ניידים-נתונים לעתים קרובות לנוהלי טעינה לא נאותים-היוו 51% מאירועי סוללת ליתיום-יון במטוסים ב-2024.

נזק מכני

השפעה פיזית מהווה סכנה מיידית. הפלת סוללה, התנגשויות ברכב או פנצ'ר מחפצים זרים עלולים לדחוס שכבות פנימיות ולפרוץ את המפריד. תאונות אופניים חשמליות מהוות סיכון מיוחד מכיוון שרוכבים עשויים שלא לזהות נזק לסוללה כתוצאה מהתרסקויות. סוללת ליתיום 48V e-מכילה אנרגיה מאוחסנת משמעותית-שווה בערך לטעינת 32 סמארטפונים-ששוחררו בצורה קטסטרופלית אם השלמות המבנית נכשלת.

מתח תרמי

חשיפה לחום חיצוני מאיצה את השפלה. סוללות ליתיום- הופכות פגיעות לבריחה תרמית מעל 80 מעלות (176 מעלות F), אם כי הסף המדויק משתנה בהתאם לכימיה. השארת מכשירים בכלי רכב חמים, מיקום סוללות ליד מקורות חום או תכנון לקוי של מערכת קירור עלולים לדחוף תאים לטווחי טמפרטורה קריטיים.

סימני אזהרה וגילוי מוקדם

זיהוי תנאי טרום-בריחה מאפשר התערבות לפני כשל קטסטרופלי.

מערכות ניהול סוללות עוקבות אחר חריגות מתח, ירידת קיבולת פתאומית ועליות טמפרטורה. מערכות מודרניות עוקבות אחר טמפרטורות תאים בודדות באמצעות חיישנים מדויקים, ומנתקות את החשמל כאשר הקריאות עולות על פרמטרים בטוחים. עם זאת, ניטור טמפרטורה חיצוני לבדו מוכיח כי טמפרטורות- פנימיות לא מספקות יכולות לעלות על קריאות פני השטח ב-13-17 מעלות בפעולה רגילה.

מחוונים פיזיים מספקים אזהרות גלויות. נפיחות או "נפיחות" מאותתת על יצירת גזים מפירוק פנימי. כל דפורמציה פירושה שתגובות כימיות כבר החלו. ריחות יוצאי דופן הדומים לביצים רקובות או כימיקלים מתוקים מעידים על פירוק ואוורור של אלקטרוליטים.

שינויים בביצועים חושפים הידרדרות בבריאות. פריקה עצמית-מהירה, זמן ריצה מקוצר או חימום מוגזם במהלך הטעינה מעידים על נזק פנימי. התקנים הדורשים טעינה תכופה יותר מהרגיל עשויים לסכן תאים המתקרבים לספי כשל.

טכנולוגיית זיהוי הגז מציעה יכולות התרעה מוקדמת מבטיחות. בריחה תרמית מייצרת גזים ייחודיים-בעיקר CO, CO2 ומימן-לפני שמופיעות להבות. חיישנים המנטרים פליטות אלו במארזי סוללות יכולים להפעיל התראות דקות לפני התפתחות עשן או אש גלוי.

ההשפעה האמיתית של-העולם וסטטיסטיקה

התדירות והחומרה של אירועי בריחה תרמית גדלו לצד אימוץ סוללת ליתיום-יון.

נתוני בטיחות תעופה חושפים מגמות מטרידות. ה-UL Standards & Engagement Thermal Runaway Incident Program עקבה אחר אירועי בריחת תרמית בטיסות נוסעים ומטען, ודיווחה על ממוצע של שתי תקריות בשבוע במהלך שנת 2024. בעוד שזה מייצג רק חלק זעיר מ-180,000 הטיסות השבועיות במרחב האווירי של ארה"ב, 18% מהאירועים כפו על הסטת נחיתות, נחיתות חירום או יציאות חירום.

שריפות -אופניים וקטנועים- מהוות אתגרי בטיחות עירוניים. ניו יורק רשמה 13 מקרי מוות כתוצאה משריפות סוללת ליתיום-בשנת 2023-יותר מכפול מהשנה הקודמת. נתוני חקירת שריפות מראים שרוב התקריות כוללות סוללות אפטר-מרקט זולות ללא אישורי בטיחות נאותים. בריטניה דיווחה על לפחות 10 הרוגים וכמעט 200 שריפות כתוצאה מסוללות אופניים חשמליים בשנת 2023, מה שגרם להנחיות בטיחות סטטוטוריות חדשות.

כלי רכב חשמליים מציגים נתונים סטטיסטיים מעודדים באופן פרדוקסלי. למרות תשומת הלב התקשורתית על שריפות EV, נתונים של הסוכנות לשוודיה למקרה חירום אזרחי, שעוקבים אחר 611,000 כלי רכב חשמליים, מצאו שיעור תקריות של 0.004% בלבד לעומת 0.08% לרכבי בנזין. רכבי EV חוו כ-25 שריפות לכל 100,000 כלי רכב לעומת 1,530 במכוניות רגילות{11}}מה שהופך אותם סטטיסטית לבטוחים פי 20-61.

ההבדל הקריטי טמון באיכות הייצור וההגנות המובנות-. יצרני רכב מיישמים מערכות ניהול תרמי נרחב, מרווח תאים ומערכות מתוחכמות לניהול סוללות. לעומת זאת, סוללות-לאופניים חשמליות-נמוכות ומוצרי אלקטרוניקה ניידים מקריבים לעתים קרובות את תכונות הבטיחות כדי להוזיל מחירים.

אסטרטגיות מניעה ומערכות בטיחות

מניעת בריחה תרמית דורשת הגנות שכבות המתייחסות לתכנון, תפעול ותחזוקה.

מערכות מתקדמות לניהול סוללות

טכנולוגיית BMS מודרנית מספקת את קו ההגנה הראשון. מערכות אלו עוקבות באופן רציף אחר מתח, זרם, טמפרטורה ומצב טעינה על פני תאים בודדים. כאשר פרמטרים נסחפים מחוץ לטווחים בטוחים, ה-BMS יכול להפחית את קצבי הטעינה, לנתק חשמל או להפעיל מערכות קירור.

אלגוריתמי מצב-של-בריאות מנבאים כשלים פוטנציאליים על ידי ניתוח דפוסי השפלה. מודלים של למידת מכונה שהוכשרו באלפי מחזורי טעינה מזהים חריגות בלתי נראות לניטור המבוסס על סף-. מערכות מסוימות מעריכות את טמפרטורת התא הפנימי באמצעות ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית, המאפשרת התערבות מוקדמת יותר מחיישני פני השטח בלבד.

מערכות ניהול תרמיות

קירור אקטיבי מונע הצטברות טמפרטורה במהלך פעולות תובעניות. מערכות קירור נוזלי מזרימות נוזל קירור דרך תעלות המשולבות בחבילות סוללות, ושומרות על טווחי טמפרטורה אופטימליים גם במהלך טעינה מהירה או פריקת חשמל- גבוהה. חומרים לשינוי שלב סופגים חום באמצעות חום סמוי של היתוך, ומספקים חציצה תרמית פסיבית.

מרווח תאים ומחסומים תרמיים מגבילים את ההתפשטות בין התאים. חומרים מתנפחים מתרחבים בעת חימום, ויוצרים קצף מבודד שמאט את העברת החום. עיצובים מסוימים כוללים גופי קירור ותעלות אוורור המפנים גזים חמים הרחק מהתאים הסמוכים.

חידושים חומריים

שיפורים בכימיה של הסוללה משפרים את היציבות הטבועה. קתודות ליתיום ברזל פוספט (LFP) מתנגדות לבריחה תרמית טוב יותר מניסוחי ניקל-מנגן-קובלט (NMC), ועומדות בטמפרטורות מעל 200 מעלות לפני הפירוק. סוללות במצב מוצק- שמחליפות אלקטרוליטים נוזליים בחומרים מוצקים עלולות לבטל את הדליקה לחלוטין.

טכנולוגיית המפריד ממשיכה להתפתח. מפרידים מצופים-קרמיים שומרים על שלמות מבנית בטמפרטורות גבוהות יותר. ציפויי בטיחות מצלבים-עצמיים המיושמים על אלקטרודות מתמזגים לסרטים אטומים ב-80 מעלות, ומונעים את זרימת היונים באלפיות שניות כאשר מתחיל התחממות יתר.

בקרת איכות ותקנים

תהליכי ייצור קפדניים מפחיתים את שיעורי הפגמים. מערכות בדיקה אוטומטיות מזהות זיהום וטעויות יישור בלתי נראות למפעילים אנושיים. חבילות סוללות העומדות ב- UL 2271, UL 2849 או תקנים בינלאומיים מקבילים מדגימות עמידה בפרוטוקולי בדיקת בטיחות.

עבור יישומי סוללת ליתיום 48V e-, הסמכת UL הופכת חשובה במיוחד בהתחשב בדרישות הזרם הגבוהות וחשיפת הרטט שמערכות אלו חווים. על המשתמשים לאמת סימני אישור לפני הרכישה ולהימנע מאפשרויות לא מסומנות או זולות באופן חשוד.

תגובת חירום והכלה

כאשר המניעה נכשלת, תגובה מהירה מגבילה את הנזק.

שריפות בריחה תרמיות דורשות טכניקות דיכוי מיוחדות. מים נותרו הגורם היעיל ביותר, אך יש צורך בכמויות אדירות - 3,000 עד 40,000 ליטר עבור ערכות סוללות גדולות לעומת 500-1,000 ליטר עבור שריפות רכבים רגילים. המטרה היא לקרר את הסוללה מתחת לטמפרטורת הבריח התרמית ולא לכיבוי שריפה מסורתי, שכן התגובות הכימיות יוצרות חמצן משלהן.

מוצרים לבלימת אש שתוכננו במיוחד עבור סוללות ליתיום-יונים משתמשים בחומרים יציבים ובמערכות אוורור. מכשירים אלה מבודדים התקני שריפה, לוכדים גזים רעילים באמצעות סינון ומספקים טיפול בטוח עד להשלמת התגובות. תקנות התעופה דורשות כעת שקיות בלימת שריפות במטוסים לניהול אירועי בריחת תרמית בגובה 40,000 רגל שבהם אפשרויות האוורור והפינוי מוגבלות.

מגיבים ראשונים מקבלים יותר ויותר הכשרה מיוחדת לשריפות ליתיום-. מצלמות הדמיה תרמיות מזהות נקודות חמות המעידות על כשלים צפויים בתאים. חרירי סוללות-מחוררים מחדירים מים ישירות לתוך חללי האריזה שבהם יישום פני השטח מתברר כלא יעיל. קרן הכבאים הלאומית שנפלו כוללת כעת טקטיקות אש של EV בתוכנית הלימודים הסטנדרטית ככל שהתקריות הללו הופכות נפוצות יותר.

קודי בנייה מתאימים לסיכוני אחסון. תקנות חדשות מפרטות דרישות אוורור, בנייה עמידה-אש ושילוב מערכות דיכוי עבור מתקנים המכילים התקנות סוללות גדולות. מבני חניה מתקינים תשתית אספקת מים משופרת במיוחד עבור תרחישי שריפה בסוללה.

התפתחויות עתידיות וכיווני מחקר

תעשיית הסוללות משקיעה רבות בביטול הסיכון לבריחה תרמית.

סוללות-הדור הבא של מצב מוצק-מבטיחות שיפורי בטיחות משנים. על ידי החלפת אלקטרוליטים נוזליים דליקים בחומרים מוצקים קרמיים או פולימריים, עיצובים אלה מבטלים את מקור הדלק העיקרי לבריחה תרמית. אלקטרוליטים מוצקים גם מונעים היווצרות דנדריטים, ומטפלים בגורם עיקרי לקצרים פנימיים.

מערכות התרעה מוקדמות ממנפות בינה מלאכותית ורשתות חיישנים. חוקרים מפתחים אלגוריתמים המנתחים דפוסי מתח וטמפרטורות עדינים שקודמים לבריחה התרמית בשעות או ימים. מערכות ניהול סוללות מחוברות-ענן צוברות נתונים על פני מיליוני מכשירים, ומזהות חתימות כשלים לפני שמשתמשים בודדים מזהים בעיות.

מניעת בריחת תרמית ברמת האלקטרודה מראה הבטחה. מפרידי-ריפוי עצמי מתקנים דקירות מיקרוסקופיות לפני שהם מתפשטים לקצר חשמלי מלא. חומרים מגיבים לטמפרטורה-מגדילים אוטומטית את ההתנגדות החשמלית כאשר תאים מתחממים יתר על המידה, ויוצרים משוב-עצמי שמגביל את עליית הטמפרטורה.

התקנים והתקנות ממשיכים להתפתח. חוק הפחתת בריחת תרמית של ארה"ב, שהושק בשנת 2025, מחייב בדיקות השפעה עבור סוללות ליתיום-, המתייחסות לכוחות תאונות תחבורה ומגביל את מצב הטעינה במהלך הובלה יבשתית ל-30%. חקיקה דומה הנבדקת באירופה ובאסיה תעשה הרמוניה בין דרישות הבטיחות הבינלאומיות.

שאלות נפוצות

באיזו טמפרטורה מתחילה בריחת תרמית?

בריחה תרמית מתחילה בדרך כלל בין 80-90 מעלות כאשר שכבת SEI מתחילה להתפרק, אם כי התאים נשארים יציבים יחסית עד שהטמפרטורות עולות על 140 מעלות. הסף המדויק משתנה לפי הכימיה והעיצוב של הסוללה.

האם ניתן לעצור את הבריחה התרמית ברגע שהיא מתחילה?

לא. ברגע שמתחילה-תגובת השרשרת המקיימת את עצמה, לא ניתן לעצור את הבריחה התרמית באמצעות התערבות חיצונית. התהליך נמשך עד שכל החומרים התגובתיים מתכלים. מניעה וגילוי מוקדם נותרו האסטרטגיות היעילות היחידות.

כמה זמן לוקח לברוח תרמית להתפתח?

ציר הזמן משתנה באופן דרמטי בהתאם לתנאי ההדק. אירועים מהירים כמו חדירת ציפורניים גורמים לבריחה תרמית תוך שניות עד דקות. הידרדרות הדרגתית מהזדקנות או טעינת יתר איטית עשויה להימשך שעות או ימים לפני כשל קריטי.

האם כימיות מסוימות של סוללות בטוחות יותר מאחרות?

כֵּן. סוללות LFP (ליתיום ברזל פוספט) מפגינות יציבות תרמית מעולה בהשוואה לניסוחי NMC (ניקל-מנגן-קובלט), המחייבות טמפרטורות גבוהות יותר כדי להתחיל בריחת. קתודות LFP הן מטבען יציבות יותר כשהן טעונות במלואן.

המלצות בטיחות מעשיות

בטיחות הסוללה דורשת תשומת לב לאורך כל מחזור החיים.

רכוש רק סוללות מאושרות הנושאות UL או סימני בדיקה מקבילים מיצרנים בעלי מוניטין. עבור יישומים כמו מערכות אופניים חשמליות -48V, הימנעות מייבוא ​​זול מפחיתה משמעותית את הסיכון לבריחה תרמית. שימו לב לביקורות המזכירות התחממות יתר, נפיחות או בעיות אמינות.

אחסן סוללות בסביבות מבוקרות-בטמפרטורה שבין 40-70 מעלות F (5-20 מעלות) בטעינה של כ-50% לתקופות אחסון ממושכות. הרחק את הסוללות מחומרים דליקים והבטח אוורור נאות. לעולם אל תחסום יציאות עם התקני טעינה.

בדוק את הסוללות באופן קבוע לאיתור נזק פיזי, נפיחות או חום חריג. החלף כל סוללה שמראה דפורמציה באופן מיידי-אל תנסה לטעון תאים שנפגעו. לאחר התרסקות או נפילה, בצע הערכה מקצועית של סוללות אופניים חשמליות-, גם אם הן נראות ללא נזק חיצוני.

השתמש רק במטענים שצוינו-של היצרן המיועדים לסוג הסוללה שלך. הימנע מהשארת סוללות נטענות למשך הלילה או ללא השגחה. עקוב אחר התקני הטעינה לאיתור חום מופרז ונתק אותם אם הטמפרטורות מרגישות גבוהות באופן חריג.

בריחת תרמית מהווה סיכון שניתן לניהול כאשר משתמשים משלבים מוצרים איכותיים עם שיטות עבודה מושכלות. ככל שטכנולוגיית הסוללה מתקדמת ומערכות הבטיחות משתפרות, הפער בין היתרונות של-יון הליתיום לבין הסכנות הנלוות ממשיך להצטמצם.

לרוכבים המשתמשים ב- aסוללת ליתיום 48v ebike, תעדוף מוצרים מוסמכים עם ניהול תרמי נכון מבטיח ביצועים בטוחים ואמינים יותר.

מקורות:

מכוני המחקר של UL - What Is Thermal Runaway (ul.org)

דוחות מדעיים - שיטת אזהרה מוקדמת לטעינת בריחת תרמית (nature.com)

Li Auto Recall Report - China SAMR (carnewschina.com)

תקני UL ומעורבות - ליתיום-תקריות סוללת יון בתעופה: סקירת נתונים 2024 (ulse.org)

ממשלת בריטניה - הנחיות סטטוטוריות בנושא בטיחות סוללת ליתיום-יון עבור-אופניים חשמליים (gov.uk)

EV Fires vs ICE Fires Data Analysis (evenergyhub.com)

Journal of Power Sources - מחקר אפיון בריחת תרמית (sciencedirect.com)

התקדמות חומרי אנרגיה - סקירה קריטית של שיטות חיזוי תרמית ברח (spj.science.org)

הזדמנויות קישור פנימי:

יסודות הטכנולוגיה של סוללת ליתיום-יון

יסודות מערכת ניהול הסוללה (BMS).

מערכות בטיחות לרכב חשמלי

מדריך תחזוקה של סוללת אופניים-

פרוטוקולי בטיחות אש עבור סוללות ליתיום