توسط : 
پژوهش جدیدی با هدف مقایسه ایمنی باتریهای لیتیومیونی، سدیمیونی و حالتجامد نشان میدهد که رتبهبندی ایمنی این فناوریها یکسان و ثابت نیست و به نوع کاربرد و سناریوی استفاده وابسته است. نتایج این تحقیق حاکی از آن است که باتریهای LFP با وجود شهرت بهعنوان «ایمنترین شیمی باتری»، میتوانند در شرایط بحرانی مقادیر بالایی گاز هیدروژن فلوراید آزاد کنند.
با توجه به نقش کلیدی ذخیرهسازی انرژی در گذار جهانی به سامانههای انرژی پایدار، توسعه باتریهایی با کارایی بالا و ایمنی قابلاطمینان اهمیت فزایندهای پیدا کرده است. در حال حاضر باتریهای لیتیومیونی سهم غالب بازار را در اختیار دارند، اما محدودیتهای ایمنی آنها – بهویژه خطر فرار حرارتی ناشی از الکترولیتهای مایع قابل اشتعال – همچنان یکی از چالشهای اصلی محسوب میشود.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه نیوکاسل بریتانیا با همکاری آکادمی خدمات آتشنشانی لهستان، ارزیابی جامع از سه فناوری کلیدی شامل باتریهای لیتیومیونی متداول، باتریهای سدیمیونی نوظهور و باتریهای حالتجامد انجام دادهاند. محققان تأکید میکنند که صرفاً بررسی مقاومت در برابر فرار حرارتی کافی نیست و مقایسه واقعی میان شیمیهای مختلف باتری نیازمند چارچوبی جامع و چندمعیاره است که متناسب با سناریوهای مختلف کاربردی طراحی شود.
این ارزیابی شاخصهایی ازجمله مقاومت در برابر آغاز خرابی، تحمل در برابر شرایط غیرعادی، شدت خرابی (مانند دمای بیشینه، میزان آزادسازی گرما و نرخ افزایش دما)، خطرات گازی (حجم، قابلیت اشتعال و سمیت)، ریسک انتشار آتش و محدودیتهای خاص کاربردی را بررسی کرده است؛ ازجمله تفاوت میان کاربردهایی مانند حملونقل دریایی در محیطهای بسته و سامانههای ذخیرهسازی شبکهای که به سامانههای فعال اطفای حریق مجهز هستند.
این تیم پژوهشی یک خط مبنای ایمنی دقیق برای باتریهای لیتیومیونی (LIB) تدوین کرد و سازوکارهای خرابی آنها را تحت شرایط سوءاستفاده حرارتی، الکتریکی و مکانیکی مورد بررسی قرار داد. این تحلیل شامل بررسی روند وقوع فرار حرارتی، الگوهای تولید گاز و دینامیک گسترش خرابی از یک سلول به سلولهای مجاور بود.
نتایج نشان میدهد که شیمی کاتد نقش تعیینکنندهای در شدت رخدادهای حرارتی دارد؛ زیرا چگالی انرژی و پتانسیل اکسیدکنندگی باتری را کنترل میکند. اکسیدهای لایهای با انرژی بالا مانند LiCoO₂ و شیمیهای غنی از نیکل مانند NMC اگرچه ظرفیت بالایی برای خودروهای برقی فراهم میکنند، اما در حالت شارژ بالا از نظر ساختاری ناپایدار شده و با آزادسازی اکسیژن فعال، واکنشهای گرمازای شدیدی با حلالهای الکترولیت ایجاد میکنند. پایداری حرارتی نیز با افزایش درصد نیکل کاهش مییابد؛ بهطوریکه NMC-811 حدود ۲۱۵ درجه سانتیگراد شروع به تجزیه میکند، درحالیکه این عدد برای NMC-111 حدود ۲۷۵ درجه سانتیگراد گزارش شده است.
در مقابل، باتریهای لیتیومآهنفسفات (LFP) دارای ساختار الیوین پایدار هستند که حتی در دماهای بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتیگراد نیز در برابر آزادسازی اکسیژن مقاومت میکند و بنابراین کمتر در معرض فرار حرارتی شدید قرار میگیرد. با این حال، این شیمی باتری ولتاژ و چگالی انرژی پایینتری دارد. پژوهشگران تأکید میکنند که هر دو شیمی دارای خطرات خاص خود هستند، ازجمله تولید گازهای قابل اشتعال یا انفجاری در شرایط بحرانی؛ بنابراین نمیتوان بهطور ساده LFP را «ایمنتر» از NMC دانست.
باتریهای سدیمیونی
باتریهای سدیمیونی (SIB) در این پژوهش مزایای ایمنی قابلتوجهی از خود نشان دادهاند؛ ازجمله دمای آغاز فرار حرارتی بالاتر (حدود ۲۲۰ تا ۲۶۰ درجه سانتیگراد در مقایسه با ۱۷۰ تا ۲۲۰ درجه برای باتریهای لیتیومیونی مبتنی بر NMC)، نرخ آزادسازی حرارت کمتر، درصد پایینتر هیدروژن در گازهای خروجی (حدود ۳۰٪ در برابر ۴۲٪ برای LFP) و امکان حملونقل در حالت صفر ولت که ریسکهای لجستیکی را بهطور محسوسی کاهش میدهد.
باتریهای حالتجامد
در مقابل، باتریهای حالتجامد – بهویژه انواع مبتنی بر اکسید – تغییر بنیادینی در طراحی ایجاد میکنند؛ زیرا الکترولیتهای مایع قابل اشتعال را حذف میکنند. این سامانهها پایداری حرارتی بسیار بالا (دمای T2 بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد)، تولید گاز بسیار محدود (کمتر از ۰.۵ لیتر بر آمپرساعت) و نرخ گسترش حرارتی بسیار آهستهتر نسبت به سلولهای NMC با نیکل بالا (حدود ۰.۳ تا ۰.۹ درجه در دقیقه در برابر ۹ تا ۱۱ درجه در دقیقه) را نشان دادهاند.
با این حال، پژوهشگران تأکید میکنند که رتبهبندی ایمنی بهشدت وابسته به کاربرد عملی است. برای مثال، اگرچه LFP از نظر پایداری حرارتی عملکرد خوبی دارد، اما در شرایط خرابی میتواند مقادیر بالایی از هیدروژن فلوراید (HF) در محدوده ۳۰۰۰ تا ۸۰۰۰ ppm تولید کند. همچنین باتریهای حالتجامد مبتنی بر سولفید در صورت تماس با رطوبت ممکن است خطر انتشار سولفید هیدروژن (H₂S) را به همراه داشته باشند.
نویسندگان در مقالهای که در نشریه Journal of Power Sources منتشر شده، نتیجهگیری میکنند که مسیر دستیابی به ذخیرهسازی انرژی ایمنتر یک فرایند تکاملی مداوم است، نه یک مقصد نهایی. به باور آنها، درحالیکه معماریهای حالتجامد در بلندمدت نوید ایمنی ذاتی بیشتری میدهند، فناوری سدیمیونی میتواند یک بهبود عملی در کوتاهمدت ارائه کند. در عین حال، بهبود مستمر باتریهای لیتیومیونی برای ایمنسازی ناوگان گسترده فعلی و آینده ضروری خواهد بود.
در نهایت، آینده مبتنی بر باتری به مجموعهای متنوع از فناوریها متکی است که هرکدام براساس توازن میان عملکرد، هزینه و مهمتر از همه، پروفایل ایمنی معتبر و آزمودهشده انتخاب میشوند.
