מה קורה כשסוללת EV נשרפת?

כאשר סוללת EV נשרפת, הדבר נובע בדרך כלל מתופעה הנקראת "בריחה תרמית". במילים פשוטות, זוהי תגובת שרשרת שמתחילה כאשר תא בסוללה מתחמם יתר על המידה מסיבה כלשהי, לעתים קרובות בגלל נזק פיזי חיצוני, התחממות יתר או טעינת יתר (המכונה "נזקים חיצוניים"). לפעמים, זה יכול להיות מופעל על ידי בעיה פנימית כגון פגמים בייצור או קצר חשמלי בתוך תא הסוללה (המכונה "דאגות פנימיות").

סוללת EV בוערת יכולה להיות מדאיגה במיוחד מכיוון שבניגוד למכונית מסורתית עם מנוע בעירה פנימית, הסוללות ברכבי EV לרוב פועלות לאורך הרכב. ברגע שתא אחד בחבילת סוללות EV עולה באש, החום עלול לגרום לתאים סמוכים להתלקח גם הם, מה שמוביל לתגובת שרשרת שעלולה לבלוע במהירות את כל ערכת הסוללות, ואולי גם את הרכב כולו.

כדי להחמיר את הבעיה, סוג הסוללה הנפוץ ביותר בשימוש ברכבי החשמל של ימינו, סוללת הליתיום-יון, מכיל אלקטרוליטים נוזליים אורגניים דליקים. זה הופך את הסוללות האלה ליותר מועדות להתלקח ולהתפוצץ כשהן ניזוקות או מטופלות בצורה לא נכונה. בנוסף, קיים סיכון ספציפי הנקרא "דנדריטים ליתיום", שהם בלטות זעירות דמויות מחט שיכולות להתפתח על האנודה במהלך הטעינה. אם הדנדריטים האלה גדלים מספיק, הם יכולים לחורר את המפריד, לגרום לקצר חשמלי ואולי להוביל למצב של בריחה תרמית.

לכן, שלמות מבנה הסוללה ואיכות המפרידים הם גורמים מכריעים בהבטחת הבטיחות של סוללת EV. ככאלה, סוללות איכותיות עוברות מבחני מאמץ שונים לפני היציאה מהמפעל, לרבות בדיקת "פנצ'ר" המדמה קצר חשמלי שנגרם כתוצאה מהפגיעה בו זמנית באלקטרודות החיוביות והשליליות ובמפריד.

למרות האמור לעיל, חשוב לציין שבריחה תרמית ברכבי EV היא נדירה יחסית, ויצרנים, חוקרים ומוסדות רבים פועלים במרץ כדי לשפר עוד יותר את הבטיחות של סוללות אלו. גישה אחת היא פיתוח סוללות מוצק, שמחליפות את האלקטרוליט הנוזלי הדליק במוצק שאינו דליק. עם זאת, נכון לשנת 2023, הסוללות הללו עדיין נמצאות במידה רבה בשלב המחקר והפיתוח.

בימים הראשונים של אוגוסט 2023, NIO ES8 התנגש בעמוד כביש בז'ג'יאנג, סין, ועלה בלהבות תוך שניות, וגבה את חיי הנהג. האירוע עדיין בחקירה. ימים ספורים לפני כן, בסוף יולי, טסלה דגם Y ואאודי סדאן התנגשו בדונגגוואן, גואנגדונג. הטסלה איבדה שליטה, פגעה במעקה בטיחות ועלתה בלהבות.

גלגל עוד קצת אחורה, ואנו מוצאים תחנת החלפת סוללות NIO AUTO בג'יאנגמן, גואנגדונג, בוערת. הסיבה? סוללה של משתמש NIO, שזוהתה מרחוק כניזוקה על ידי כוחות חיצוניים, עלתה באש במהלך הבדיקה עם החזרה לתחנה.

אלו הם תרחישי הסיוט שחובבי בנזין עמידים לחיבוק של כלי רכב חשמליים (EV) דמיינו, והקשה ביותר להקל עליהם: בטיחותן של סוללות EV. פחד זה אינו מופרך; שריפות סוללה יכולות להיות מדאיגות יותר ברכבי EV מאשר במכוניות רגילות. לדוגמה, הסוללה ברכב חשמלי משולבת בכל הרכב, מה שהופך אותו לבעירה מוחלטת במקרה של שריפה. אפילו יותר מטריד, בעוד שריפות רכב קונבנציונלי קשורות בדרך כלל לתאונות דרכים, רכבי EV יכולים לפעמים להתלקח באופן ספונטני בזמן מנוחה, מה שהופך את החדשות לבולטות יותר.

הסיבות הנפוצות לאירועי "בריחה תרמית" אלו מתחלקות לשתי קטגוריות: איומים חיצוניים ודאגות פנימיות. איומים חיצוניים כוללים התעללות מכנית, התעללות תרמית והתעללות חשמלית, בדרך כלל עקב תאונות, טמפרטורות גבוהות, טעינת יתר או פריקה. בנוסף להתלקחות בעת התנגשות חמורה במהלך אירועי תנועה, NIO דיווחה גם על אירוע בעירה ספונטנית של ES8 EV בשנת 2019 במהלך תחזוקה עקב קצר חשמלי שנגרם מדחיסת מבנה מארז הסוללות בעקבות פגיעת שלדה. כמעט כל שאר יצרני ה-EV הסיניים דיווחו על מקרים דומים.

הדאגות הפנימיות כביכול הן רב-גוניות. סוללות ליתיום-יון נוכחיות, המורכבות בעיקר מאלקטרודות חיוביות ושליליות, מפרידים ואלקטרוליט, מהוות סכנות ייחודיות משלהן. לדוגמה, התופעה של ציפוי ליתיום מתרחשת כאשר יוני ליתיום הנעים בתוך הסוללה מצטברים על הממברנה הדקה המפרידה בין האלקטרודות, ויוצרים דנדריטים של ליתיום. דנדריטים אלה יכולים לחדור את הממברנה, ולגרום לקצר חשמלי ולהצטברות חום מהירה.

לפיכך, שלמות מבנה הסוללה ואיכות המפריד הם גורמים מכריעים לבטיחות הסוללה. סוללות איכותיות עוברות בדיקות קפדניות לפני יציאתן מהמפעל, כולל בדיקת "חדירת ציפורניים" (אם כי לא חובה באופן עולמי) שמטרתה קצר חשמלי על ידי פגיעה בשלמות האלקטרודות החיוביות והשליליות והמפריד.

בהתחשב בכך, נראה שהנתיב הטבעי לשיפור הבטיחות ברור: החלף את האלקטרוליט האורגני הדליק בחומר מוצק לא נייד, לא דולף ויציב תרמית. סוללות מצב מוצק הפכו ל"תחנה הבאה" הברורה במפת הדרכים של תעשיית הסוללות עבור בטיחותן וצפיפות האנרגיה שלהן. עם זאת, המסע לאימוץ נרחב הוכח כחמקמק. למרות שהמעבדה הלאומית של אוק רידג' האמריקאית יצרה את הסוללה הראשונה במצב מוצק כבר בשנת 1990, מכשולים טכנולוגיים עקביים נמשכו.

בעולם של סוללות מוצק, קיימות שלוש מערכות מיינסטרים לחומרי אלקטרוליט מוצק: פולימרים, תחמוצות וסולפידים. לכל אחד יש את החוזקות והחולשות שלו, וכולם צריכים להתמודד עם אתגרי מדרגיות הייצור ובקרת האיכות הגלומים במיסחור.

הספקנים לועגים לטווח הקטן של כלי רכב חשמליים בחורף בגלל הביצועים הנמוכים של הסוללות הנוזליות הנוכחיות בטמפרטורות נמוכות, בעוד שהסיכון הפוטנציאלי של בעירה בזמן טעינה בקיץ הוא גם דאגה. זה מדגיש את הצורך בסוללה בטוחה ויעילה יותר שיכולה לעמוד בדרישות של כל עונות השנה.

ניסויים בהדפסת תלת מימד ליצירת מבנים מורכבים עבור אלקטרוליטים מוצקים הראו הבטחה מסוימת. לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד השתמשו בהדפסת תלת מימד כדי לבנות מסגרת תלת מימדית, מלאה באלקטרוליט מוצק, כדי לשפר את החוזק המכני ולמנוע שבירה קלה. באופן דומה, חברת Sakuu האמריקאית משתמשת בטכנולוגיית הזרקת קלסרים כדי להפקיד את חומרי האלקטרודה הנדרשים ואבקות אלקטרוליטים מוצקים על גבי מצע ו"למצק" אותם עם ריאגנטים נוזליים.

בעוד שהדפסה תלת מימדית עשויה להציע אמצעי להרחבת שטח המגע של הממשק ולשלוט בנקבוביות החומר, יש עדיין מכשולים עיקריים להתגבר לפני שניתן יהיה להפוך את הטכניקות הניסיוניות הללו לפתרון בר-קיימא, בייצור המוני. איזון בין ביצועים לעלות, השגת מדרגיות ושמירה על סטנדרטים מחמירים של בקרת איכות הם האתגרים הממשמשים שמעמידים את הפתרונות המבטיחים הללו במעבדה ולא בדרכים.

ככל שאנו דוהרים אל עתיד יותר ויותר חשמלי, הסיכונים הטמונים והחתירה המתמדת אחר אמצעי בטיחות משופרים שומרים על התעשייה במצב של תנופה. למרות האתגרים המפחידים, הצעדה לעבר תעשיית רכב חשמלי בטוחה ויעילה יותר נמשכת, מונעת על ידי חדשנות בלתי פוסקת ומחויבות לעתיד בר קיימא. כמו תמיד, הניו יורקר ישמור עין על ההתפתחויות הללו, מוכן להציע תובנה וניתוח על המסע שלפנינו.