ما هو الهروب الحراري؟ العلم وراء حرائق المركبات الكهربائية وبطاريات الليثيوم

ربما رأيت العناوين: مركبة كهربائية تنفجر في لهب داخل موقف سيارات، أو دراجة كهربائية تشتعل أثناء الشحن ليلاً—مثل حريق شقة ريمس المأساوي الذي أودى بحياة أربعة أشخاص. وراء هذه الحوادث الدراماتيكية تكمن عملية كيميائية تسمى الهروب الحراري—تفاعل متسلسل يمكن أن يحول البطارية إلى جحيم في ثوانٍ.

فهم الهروب الحراري ليس فقط للمهندسين ورجال الإطفاء. إذا كنت تملك مركبة كهربائية أو دراجة كهربائية أو حاسوب أو حتى هاتف، معرفة كيف تعمل هذه الظاهرة يمكن أن تساعدك في التعرف على علامات التحذير والاستجابة بأمان عندما تسوء الأمور.

ما هو الهروب الحراري؟

الهروب الحراري هو عملية ذاتية التسارع حيث ارتفاع درجة الحرارة يحفز تفاعلات تولد مزيداً من الحرارة. في بطاريات الليثيوم أيون، هذا يخلق حلقة ردود فعل خطيرة: الحرارة تتلف البنية الداخلية للبطارية، مما يطلق مزيداً من الحرارة، مما يسبب مزيداً من الضرر—والدورة تستمر حتى تفشل البطارية بشكل كارثي.

فكر في الأمر مثل كرة ثلج تتدحرج من أعلى التل. اضطراب صغير في القمة يصبح قوة لا يمكن إيقافها بحلول وصولها للقاع. إلا أنه بدلاً من الثلج، نتحدث عن درجات حرارة يمكن أن تتجاوز 600 درجة مئوية وغازات سامة يمكن أن تشتعل بشكل متفجر.

وفقاً لمعايير SAE الدولية، يُعرَّف الهروب الحراري بأنه حالة تزيد فيها درجة الحرارة الداخلية للبطارية بشكل لا يمكن السيطرة عليه بسبب توليد الحرارة الذي يتجاوز تبديد الحرارة. بمجرد بدئه، تصبح العملية ذاتية الاستدامة وصعبة الإيقاف للغاية.

كيف يحدث الهروب الحراري: المراحل الثلاث

الهروب الحراري لا يحدث فوراً. يتقدم عبر ثلاث مراحل متميزة، كل واحدة أخطر من السابقة.

المرحلة 1: البداية (70-150 درجة مئوية)

تبدأ العملية عندما يتسبب شيء ما في تسخين خلية البطارية فوق نطاق تشغيلها الطبيعي. المحفزات الشائعة تشمل:

• الضرر المادي من حادث أو صدمة
• دوائر قصر داخلية من عيوب التصنيع
• الشحن الزائد فوق حدود الجهد الآمنة
• التعرض للحرارة الخارجية (داخليات السيارة الساخنة، أشعة الشمس المباشرة)
• تدهور المكونات الداخلية بسبب العمر

في هذه المرحلة، تبدأ واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI)—طبقة حماية داخل البطارية—بالتحلل. هذا التحلل يولد حرارة ويطلق غازات، لكن التفاعل لا يزال يمكن إيقافه إذا أُزيل مصدر الحرارة.

المرحلة 2: التسارع (150-250 درجة مئوية)

مع ارتفاع درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية، يبدأ الفاصل بين أقطاب البطارية بالذوبان. هذا الفيلم البلاستيكي الرقيق يمنع عادةً الجانبين الموجب والسالب من التلامس. عندما يفشل، تتشكل دوائر قصر داخلية، تفرغ كميات ضخمة من الطاقة في حرارة.

الإلكتروليت—السائل الذي يسمح للأيونات بالتحرك داخل البطارية—يبدأ بالتحلل والتبخر. هذه الأبخرة قابلة للاشتعال بدرجة عالية. يتراكم الضغط داخل الخلية مع تجمع الغازات.

يُظهر بحث برنامج السلامة الكهروكيميائية في UL أنه في هذه المرحلة، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة بمعدلات تتجاوز 10 درجات مئوية في الثانية. يصبح التفاعل ذاتي الاستدامة—حتى إزالة مصدر الحرارة الأصلي لن يوقفه.

المرحلة 3: الانتشار (250+ درجة مئوية)

هذه هي المرحلة الكارثية. تنفجر خلية البطارية، مطلقة غازات قابلة للاشتعال تشتعل عند ملامسة الهواء. يمكن أن ترتفع درجات الحرارة إلى 600 درجة مئوية أو أكثر في ثوانٍ.

في حزم البطاريات متعددة الخلايا—مثل تلك في المركبات الكهربائية، التي يمكن أن تحتوي على آلاف الخلايا—الحرارة من خلية فاشلة واحدة تنتشر إلى الجيران. هذا الانتشار من خلية لخلية يمكن أن يخلق تأثير تعاقبي، مع فشل الخلايا بتتابع سريع مثل قطع الدومينو.

تلاحظ الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) أن حرائق بطاريات المركبات الكهربائية يمكن أن تحترق لساعات وتتطلب 40,000 إلى 150,000 لتر من الماء للإطفاء—مقارنة بحوالي 4,000 لتر لحريق سيارة بنزين نموذجي.

الهروب الحراري في المركبات الكهربائية

بطاريات المركبات الكهربائية تقدم تحديات فريدة مقارنة بأجهزة الليثيوم أيون الأصغر. حزمة بطارية مركبة كهربائية نموذجية تحتوي على 1,000 إلى 8,000 خلية فردية، تخزن طاقة كافية لتشغيل منزل لعدة أيام، وتزن 180-450 كجم.

هذه الكثافة الضخمة للطاقة تعني أنه عندما تسوء الأمور، تسوء بشكل كبير جداً. لكن من المهم الحفاظ على المنظور: تُظهر بيانات NHTSA أن المركبات الكهربائية تشتعل بمعدلات أقل من مركبات البنزين. الفرق في كيفية تصرف تلك الحرائق بمجرد بدئها.

الأسباب الشائعة للهروب الحراري في المركبات الكهربائية

أضرار الحوادث: الصدمات عالية السرعة يمكن أن تخترق حاويات البطاريات أو تسحق الخلايا الفردية، محفزة هروباً حرارياً فورياً أو متأخراً. بعض الحوادث وقعت بعد ساعات أو حتى أيام من الحادث الأولي.

عيوب التصنيع: جزيئات معدنية مجهرية تلوث خلايا البطاريات أثناء الإنتاج يمكن أن تخلق دوائر قصر داخلية. عدة عمليات استدعاء كبرى عالجت هذه المشكلة.

مشاكل الشحن: استخدام شواحن غير معتمدة، الشحن في درجات حرارة قصوى، أو أعطال النظام التي تسمح بالشحن الزائد يمكن أن تحفز جميعها الهروب الحراري.

تدهور البطارية: مع تقدم البطاريات في العمر، تزداد المقاومة الداخلية ويمكن أن تتشكل الدندريت (نموات معدنية)، مما يزيد خطر الهروب الحراري.

للحصول على نظرة شاملة على سلامة حرائق المركبات الكهربائية واستراتيجيات الاحتواء، راجع دليل بطانية حريق المركبات الكهربائية لدينا.

لماذا حرائق بطاريات المركبات الكهربائية خطيرة جداً

حرائق المركبات الكهربائية تقدم تحديات تجعلها مختلفة جوهرياً عن حرائق المركبات التقليدية.

خطر إعادة الاشتعال

ربما الخاصية الأكثر إثارة للقلق في حرائق البطاريات هي ميلها لإعادة الاشتعال. حتى بعد إطفاء اللهب، يمكن للخلايا التالفة أن تستمر في التسخين وتدخل مرة أخرى في الهروب الحراري بعد ساعات أو أيام. أقسام الإطفاء الآن تراقب بشكل روتيني مواقع حرائق المركبات الكهربائية لمدة 24-48 ساعة بعد الإخماد الأولي.

الانبعاثات السامة

بطاريات الليثيوم أيون المحترقة تطلق كوكتيلاً من الغازات السامة بما في ذلك فلوريد الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وسيانيد الهيدروجين. هذه الانبعاثات تتطلب من رجال الإطفاء استخدام أجهزة التنفس المستقلة وتخلق مناطق خطرة حول المركبات المشتعلة.

متطلبات المياه

بينما يمكن للماء تبريد حرائق البطاريات وإبطاء الانتشار، لا يمكنه إطفاء التفاعلات الكهروكيميائية الحاصلة داخل الخلايا. توصي إرشادات NFPA بتطبيق ماء ضخم—غالباً 10 أضعاف ما يُحتاج لحريق بنزين—لتبريد حزمة البطارية ومنع الانتشار من خلية لخلية.

تحديات الإخماد

طرق إخماد الحرائق التقليدية لها فعالية محدودة ضد الهروب الحراري. البطارية تولد أكسجينها الخاص من خلال التحلل الكيميائي، مما يجعل تقنيات الخنق غير فعالة. لهذا السبب تركز بطانيات حريق المركبات الكهربائية المتخصصة على الاحتواء بدلاً من الإخماد الكامل.

علامات بداية الهروب الحراري

التعرف على علامات التحذير المبكرة يمكن أن يوفر وقتاً حرجاً للاستجابة بأمان. راقب:

• أصوات هسهسة أو فرقعة: غاز يخرج من الخلايا مع تراكم الضغط
• روائح غير عادية: رائحة كيميائية حلوة (غالباً توصف بأنها مشابهة لمزيل طلاء الأظافر) تشير إلى تحلل الإلكتروليت
• دخان أو بخار: أي انبعاثات مرئية من حزمة البطارية تتطلب إجراء فوري
• انتفاخ البطارية: انتفاخ أو تشوه علبة البطارية يشير إلى تراكم الغاز الداخلي
• ارتفاع سريع في درجة الحرارة: إذا شعرت البطارية بأنها ساخنة للمس أثناء التشغيل أو الشحن العادي، افصل فوراً
• رسائل خطأ: تحذيرات نظام إدارة البطارية حول درجة الحرارة أو عدم توازن الخلايا

إذا لاحظت أياً من هذه العلامات، لا تنتظر. ابتعد عن المركبة أو الجهاز، أبعد الآخرين عن الخطر، واتصل بخدمات الطوارئ.

كيفية الاستجابة للهروب الحراري في المركبات الكهربائية

إذا شهدت بداية حريق بطارية، أولويتك هي السلامة—ليس إنقاذ المركبة.

الإجراءات الفورية

1. أخلِ فوراً: ابتعد على الأقل 30 متراً عن المركبة. حرائق البطاريات يمكن أن تنتج إطلاقات غاز متفجرة.
2. اتصل بالطوارئ: اذكر تحديداً أنها مركبة كهربائية أو حريق بطارية ليثيوم. هذه المعلومات تساعد في إرسال الموارد المناسبة.
3. حذّر الآخرين: نبّه أي شخص قريب للابتعاد عن المنطقة.
4. ابقَ في اتجاه الريح: ضع نفسك حيث يهب الدخان والأبخرة بعيداً عنك.

خيارات الاحتواء

لأجهزة بطاريات الليثيوم الأصغر (الدراجات الكهربائية، السكوترات، الأدوات الكهربائية)، بطانية حريق عالية الحرارة يمكن أن تساعد في احتواء الحريق وإبطاء الانتشار. للحصول على إرشادات خطوة بخطوة حسب نوع الجهاز، راجع دليلنا حول كيفية إطفاء حريق بطارية ليثيوم. للمركبات، توجد بطانيات حريق مركبات كهربائية متخصصة يمكنها الحد من انتشار اللهب بينما يستجيب رجال الإطفاء.

لا تحاول إطفاء حريق مركبة كهربائية بطفاية حريق قياسية—لن تعمل وتضعك في خطر. الماء يمكن أن يساعد إذا طُبق بكميات كبيرة من مسافة آمنة، لكن الكميات المنزلية غير كافية.

ما لا يجب فعله

• لا تحاول فتح غطاء المحرك أو الوصول لحجرة البطارية
• لا تفترض أن الحريق انطفأ لمجرد أن اللهب غير مرئي
• لا تبقَ بالقرب من المركبة لتصوير فيديو
• لا تحاول قيادة أو نقل مركبة تظهر عليها علامات الهروب الحراري

للحصول على إرشادات مفصلة حول استخدام بطانية الحريق والاستجابة للطوارئ، زر دليل بطانية الحريق لدينا.

منع الهروب الحراري

بينما لا يمكن القضاء على الهروب الحراري بالكامل، الممارسات الصحيحة تقلل المخاطر بشكل كبير.

أفضل ممارسات الشحن

• استخدم فقط معدات الشحن المعتمدة من الشركة المصنعة
• تجنب الشحن في درجات حرارة قصوى (تحت 0 درجة مئوية أو فوق 35 درجة مئوية)
• لا تشحن إلى 100% للاستخدام اليومي؛ 80% مثالي لصحة البطارية
• افصل عند اكتمال الشحن بدلاً من تركها موصولة إلى أجل غير مسمى
• اشحن في مناطق جيدة التهوية بعيداً عن المواد القابلة للاشتعال

اعتبارات التخزين

• أوقف المركبات الكهربائية بعيداً عن الهياكل عندما يكون ذلك ممكناً، خاصة في المرائب المغلقة
• حافظ على البطاريات عند 40-60% شحن للتخزين طويل المدى
• أبقِ المركبات في بيئات يمكن التحكم في درجة حرارتها عندما يكون ذلك ممكناً
• افحص البطاريات بانتظام بحثاً عن أضرار أو انتفاخ

الوعي بالصيانة

• اتبع جداول خدمة الشركة المصنعة
• عالج أضواء تحذير البطارية فوراً
• افحص البطاريات بعد أي صدمة كبيرة
• استبدل البطاريات التي تظهر عليها علامات التدهور

لمعدات السلامة من الحرائق المنزلية، راجع الأسئلة الشائعة لدينا حول اختيار وصيانة بطانية الحريق.

مستقبل سلامة البطاريات

تكنولوجيا البطاريات تستمر في التقدم، مع تصاميم جديدة تستهدف تحديداً منع الهروب الحراري.

بطاريات الحالة الصلبة تستبدل الإلكتروليتات السائلة بمواد صلبة، مما يزيل المكون القابل للاشتعال الذي يساهم في شدة الهروب الحراري. عدة شركات مصنعة تتوقع مركبات كهربائية تجارية بالحالة الصلبة بحلول 2028.

أنظمة إدارة البطارية المحسنة الآن تراقب درجات حرارة الخلايا الفردية ويمكنها عزل الخلايا الفاشلة قبل حدوث الانتشار.

حواجز الخلية إلى الخلية في حزم البطاريات الحديثة تستخدم مواد مقاومة للحريق لإبطاء الانتشار الحراري، مما يوفر مزيداً من الوقت للإخلاء والاستجابة للطوارئ.

حتى تنضج هذه التقنيات، يبقى فهم الهروب الحراري وامتلاك معدات السلامة المناسبة ضرورياً لأي شخص يستخدم تقنية بطاريات الليثيوم أيون.