لماذا تشتعل بطاريات السيارات الكهربائية وكيف تمنع الأنظمة ذلك؟

تشتعل بطارية السيارة الكهربائية بسبب الانفلات الحراري، وهو تفاعل متسلسل كيميائي ذاتي التغذية يحدث عندما تتجاوز الحرارة المتولدة في خلايا الليثيوم أيون قدرة تبديد الحرارة؛ وتحاول حزم البطاريات الحديثة منع ذلك بإجراءات متعددة الطبقات مثل كيمياء الفواصل، وإضافات الإلكتروليت المقاومة للهب، والحواجز الحرارية بين الخلايا، وقنوات التفريغ المُتحكم بها، ومراقبة نظام إدارة البطارية (BMS). في ما يلي نفحص هذه الآلية خطوة بخطوة وخط دفاع المصنّعين طبقة بعد طبقة.

ما هو الانفلات الحراري بالضبط وكيف يبدأ؟

الانفلات الحراري، أو بالعربية "الانفلات الحراري"، هو سلسلة من التفاعلات تبدأ لحظة تجاوز توليد الحرارة في خلية الليثيوم أيون لقدرة تبديدها، وتسرّع نفسها بحلقة التغذية الراجعة الإيجابية. المنطق بسيط: كلما ارتفعت درجة الحرارة تسارعت التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة، والتفاعلات المتسارعة تنتج مزيداً من الحرارة، والمزيد من الحرارة يسرّع التفاعلات أكثر. وبمجرد تشكل الحلقة، يمكن لدرجة حرارة الخلية أن تتجاوز 600 درجة مئوية وقد تنتهي العملية خلال دقائق باشتعال أو انفجار.

النقطة الحرجة هي أن هذا ليس حدثاً واحداً بل تتابع تدريجي. يمضي التسلسل تقريباً كالتالي: أولاً يحدث عطل داخلي وارتفاع في الحرارة؛ ثم يفقد الفاصل البوليمري، أي الفاصل بين الأقطاب، بنيته مسبباً قصراً داخلياً في الدائرة. القصر الداخلي يضاعف الحرارة، ويتفكك الإلكتروليت وينتج غازاً، فترتفع الضغط الداخلي للخلية. وعند أعلى درجات الحرارة يبدأ مادة الكاثود بإطلاق أكسجينه الذاتي. وهذه الخطوة الأخيرة تحديداً تفسّر لماذا يصعب إطفاء هذا الحريق إلى هذا الحد: البطارية تنتج وقودها وأكسجينها في الداخل.

المحفزات: الطرق المؤدية إلى القصر الداخلي

في التصنيف الأكاديمي، ينطلق الانفلات الحراري عادةً بفعل قصر داخلي ينتج عن إساءة استخدام ميكانيكية أو كهربائية أو حرارية. والقاسم المشترك هو أنه مهما كان سيناريو إساءة الاستخدام، فإن النتيجة النهائية هي تلامس الأنود والكاثود داخل الخلية. أهم المحفزات:

• التلف الميكانيكي: السحق أو الثقب أو السقوط أو الاصطدام؛ حيث تولّد التيار غير المُتحكم به حرارة كثيفة.
• الشحن الزائد: تجاوز حدود الجهد التصميمية يزعزع استقرار المواد الداخلية؛ وقد يتجاوز equipment الشحن المعطل أو رديء الجودة حماية نظام إدارة البطارية (BMS).
• أخطاء التصنيع: الجزيئات المعدنية المجهرية أو عيوب الفاصل أو التلوث قد تتحول إلى قصر داخلي بعد أشهر أو حتى سنوات.
• الحرارة الزائدة: ارتفاع درجة حرارة البيئة المحيطة، أو حريق قريب، أو تبريد غير كافٍ.

من ناحية الهندسية، هناك تفصيل مهم: في الخلايا المتقادمة ذات SOH المنخفض، يمكن أن تصل الحرارة الناتجة عن القصر الداخلي المجهرية إلى مستوى يكفي لإطلاق الانفلات الحراري بمفردها. أي أن الخطر لا يظهر فقط لحظة الحادث، بل أيضا في السنوات المتقدمة من عمر الخلية.

التفاعل المتسلسل: من خلية واحدة إلى الحزمة بأكملها

تحتوي حزمة السيارة الكهربائية الحديثة على مئات بل آلاف الخلايا، وهنا يبدأ التهديد الحقيقي. فاحتمال الانفلات الحراري يرتفع كلما زاد عدد الخلايا؛ واشتعال خلية واحدة ليس كارثة بعد، الكارثة الحقيقية هي انتقال الحرارة إلى الخلايا المجاورة. ففي غياب الحواجز الحرارية وضعف التهوية، قد يكتمل هذا الانتشار من خلية إلى أخرى في أقل من 60 ثانية .

أما على صعيد الإطفاء فالصورة مختلفة. تطلق العملية عشرات الغازات معظمها سام: أحماض مثل HF وHCl وHCN، وCO وNH₃ وSO₂ والكربونات والفورمالدهيد. ولأن تراكيز HF وCO تبدأ بالارتفاع حتى قبل بدء الانفلات الحراري، فإن مراقبة هذه الغازات يمكن أن توفر إنذارا مبكرا. التبريد، أي كميات كبيرة من الماء، هو هدف التدخل الأول؛ وحتى بعد انطفاء الحريق يبقى خطر الاشتعال المتأخر بسبب الحرارة المتبقية في الخلايا، ما يستلزم مراقبة طويلة الأمد.

السلامة على صعيد المواد: كيمياء الفاصل والإلكتروليت

تُوصف الفواصل البوليمرية القابلة للاشتعال والإلكتروليتات السائلة بأنها السبب الجذري لمخاطر سلامة ليثيوم أيون. لذلك تُبنى خط الدفاع الأول داخل الخلية نفسها، في كيمياء المواد. الهدف على صعيد الفاصل هو طبقات أغشية تحافظ على بنيتها عند التعرض للحرارة أو تنغلق بشكل متحكم به: الفواصل المثبطة للهب هي من أهم المكونات لمنع الانفلات الحراري أو الحد منه منذ البداية. وهناك توازن مهم أيضا: في الفواصل الذكية لا يتأثر الأداء الكهروكيميائي في ظروف التشغيل العادية بالطبقة المثبطة للهب.

على صعيد الإلكتروليت، تشكل الإضافات القاعدية بالفوسفور والمركبات المفلورة والسوائل الأيونية الفئات الرئيسية للإضافات المثبطة للهب. تقلل هذه الإضافات من إطلاق حرارة الإلكتروليت وترفع درجة حرارة إطلاق الحرارة الأولى؛ وقد أظهرت عينات من الأقطاب السالبة المشغلة بإلكتروليت يحتوي على مثبطات للهب توليدا أقل للحرارة ودرجة تفكك ابتدائية أعلى. وفي سيناريو الشحن الزائد، يؤدي استخدام غاما-بيوتيرولاكتون (γ-BL) إلى تقليل خطر الانفجار بشكل ملحوظ. لكن ليست هناك حدود دون ملاحظات: فرغم الإضافات يبقى خطر التسرب في الإلكتروليت السائل قائما، لذا يتجه الباحثون إلى بدائل مثل الإلكتروليت الصلب.

اختيار كيمياء الخلية: NMC أم LFP؟

قبل تصميم الحزمة، القرار الأكبر المتعلق بالسلامة هو كيمياء الخلية نفسها. توفر NMC سعة وقدرة عاليتين لكنها تتنازل عن الاستقرار الحراري في درجات الحرارة العالية؛ أما LFP فهي أكثر أمانا وأرخص وغالبا ما تكون أطول عمرا.

الاختلاف في درجات الحرارة الابتدائية بين القياسات المختلفة ليس تناقضاً، بل هو اختلاف في طريقة القياس وفي شكل الخلايا؛ وكلا مجموعة الرقمين تشير إلى النتيجة ذاتها: NMC تدخل في الانفلات الحراري أبكر وأسخن، بينما LFP يواجه ذلك في وقت متأخر بكثير.

بنية الحزمة: الحواجز وقنوات التهوية وNTP

مهما كان كيمياء الخلايا، فإن خط الدفاع الثاني لدى المصنّع هو البنية الفيزيائية للحزمة. الهدف هو منع انتشار عطل خلية واحدة إلى الحزمة بأكملها، ويُسمى هذا النهج NTP، أي منع الانتشار الحراري (No Thermal Propagation). ثلاثة مكونات تتكامل: حواجز مقاومة للحريق، وصمامات تهوية، ونظام BMS ذكي يراقب كل خلية.

الحواجز الحرارية بين الخلايا

الحواجز الحرارية وطبقات العزل تقطع انتشار الحرارة فيزيائياً عندما تدخل إحدى الخلايا في انفلات حراري. تُظهر مراجعة علمية صدرت عام 2026 أن الحواجز الحرارية تؤدي إلى قمع انتشار الغاز الساخن واللهب الخارج من الخلية بشكل كبير. عملياً، تُوضع أغطية الأيروجيل والطلاءات المتوسعة بالحرارة، أي التي تنتفخ مع الحرارة، بين الخلايا؛ ويمكن لمواد الحواجز بفورمات فائق النحافة أن توفر حماية حرارية وميكانيكية معاً على مدى عمر السيارة كاملاً.

قنوات التفريغ والتهوية

عند تراكم الغاز يصبح الانفجار حتمياً؛ ولهذا فإن التفريغ المتحكم به أمر بالغ الأهمية. تصميم قنوات التهوية بالمانيفولد يوجّه الغازات الساخنة إلى خارج الحزمة، ويجب تصميم القنوات بشكل خاص كي لا تنسدّ بالمادة الصلبة. وقد قدمت CATL مثالاً تجارياً على هذا النهج بقنوات عادم مدمجة في الحزمة وحواجز توقف انتشار اللهب في حالة الشذوذ الحراري. المنطق واضح: إذا لم تستطع منع الانفلات الحراري تماماً، فاحبسه في خلية واحدة.

نظام BMS والمراقبة: الالتقاط قبل تطور الانفلات الحراري

يراقب نظام إدارة البطارية، أي BMS، درجة الحرارة والجهد والتيار وصحة البطارية العامة باستمرار؛ ويرصد الظروف غير الطبيعية قبل تطور الانفلات الحراري ويتخذ إجراءً تصحيحياً. حتى عام 2026، سرّ الحزم الأكثر أماناً هو قدرة BMS على رؤية الإشارات الصحيحة وتفسيرها بشكل صحيح: تُقيَّم شذوذات الجهد وفروقات الحرارة بين الخلايا وبيانات انبعاثات الغاز معاً.

طبقة المراقبة تتوسع بسرعة. تُدمج مستشعرات انبعاثات الغاز وكشف الشذوذ الحراري بشكل متزايد في منشآت البطاريات الكبيرة؛ وقد صدر في فبراير 2026 كتاب تقني متخصص مخصص للمراقبة الحرارية المعتمدة على الأشعة تحت الحمراء وأنظمة الإنذار المبكر. والأرقام أيضاً تُظهر أهمية القطاع لهذا المجال: سوق أنظمة الإدارة الحرارية لبطاريات السيارات الكهربائية كان في 2025 عند مستوى 7.0 مليار دولار فيما يُتوقع لعام 2026 9.2 مليار دولار ويُتوقع أن يصل حتى 75.1 مليار دولار بحلول 2033. وعلى صعيد الجهات التنظيمية، تنسق NHTSA الأبحاث والأنشطة ضمن مبادرة Battery Safety Initiative لسلامة بطاريات السيارات الكهربائية.

هل ستزيل بطاريات الحالة الصلبة هذا الخطر في المستقبل؟

تصاميم الحالة الصلبة تنقل الأيونات عبر مواد صلبة بدلاً من الإلكتروليت السائل. يُعتقد أن الإلكتروليتات الصلبة، لكونها غير قابلة للاشتعال في الغالب، يمكن أن تقلل بشكل كبير من احتمالية الانفلات الحراري؛ كما أنها تحمل إمكانات كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع. لكن الصورة لم تتضح بعد: يظل التوزيع التجاري محدوداً، ولا بد من التغلب على تحديات هندسية جسيمة. باختصار، الحالة الصلبة هي أقوى وعد مستقبلي في جانب كيمياء المواد، لكن حزم اليوم لا تزال تعتمد على هندسة الدفاع متعدد الطبقات.

هل حرائق بطاريات المركبات الكهربائية أكثر شيوعاً من حرائق المركبات البنزينية؟

الإجابة المتوازنة على السؤال: لا، فهي أندر إحصائياً، لكنها أصعب. فلكل 100.000 عملية بيع، تحدث نحو 25 حريقاً في المركبات الكهربائية بالكامل، بينما يبلغ هذا المعدل في المركبات البنزينية نحو 1,530 حريقاً؛ كما يؤكد تقييم قائم على مراجعة أربع دراسات منفصلة أن المركبات البنزينية أكثر عرضة للاشتعال من الكهربائية. ويُذكر أن حتى المركبات الهجينة تشتعل بشكل أكثر تكراراً من الكهربائية.

وهناك حقيقة أخرى تتمثل في أنه لا ينبغي قراءة هذا الرقم بمعزل عن غيره. فمنهجية المقارنة وتوزيع أنواع المركبات وتعريف الحريق كلها أمور قابلة للنقاش؛ وتوجد أيضاً انتقادات مفادها أن الرسوم البيانية الشائعة قد تكون مضللة. علاوة على ذلك، فإن ندرة حرائق المركبات الكهربائية لا تجعل التعامل معها أسهل: فالانفلات الحراري يجعلها صعبة الإدارة على نحو خاص، وقد يستغرق الإطفاء ساعات، وتتطلب مخاطر إعادة الاشتعال مراقبة طويلة الأمد. الخلاصة الصحيحة هي: المركبات الكهربائية تشتعل بشكل أقل، لكن عندما تشتعل يتطلب الحادث نظاماً متميزاً للتدخل يختلف عن حرائق المركبات البنزينية.

من منظور هندسي، الصورة مشجعة: الحرارة المنفلتة (thermal runaway) لم تختفِ تماماً، لكنها تحولت إلى حدث يمكن التحكم فيه عبر دفاع متعدد الطبقات - كيمياء خلايا مختارة، ومواد مقاومة للهب، وحواجز فيزيائية، وتفريغ محكوم، وإنذار مبكر قائم على المستشعرات. يبقى القضاء على الخطر بالكامل معلقاً على توسيع نطاق كيمياءات جديدة مثل البطاريات ذات الحالة الصلبة.

المصادر

• ما هي الحرارة المنفلتة في بطاريات الليثيوم أيون
• فهم الحرارة المنفلتة: العلم وراء حرائق بطاريات الليثيوم
• آلية الحرارة المنفلتة في بطاريات الليثيوم أيون للسيارات الكهربائية: مراجعة
• الفروق المميزة للحرارة المنفلتة الناجمة عن...
• مراجعة حول الحد من انتشار الحرارة المنفلتة
• تغليف بطاريات السيارات الكهربائية لمنع الحرارة المنفلتة
• تقنية NTP: منع الحرارة المنفلتة في بطاريات السيارات الكهربائية
• دليل إلى إضافات الإلكتروليت المقاومة للهب
• سلامة بطارية NMC مقابل LFP
• خصائص الحرارة المنفلتة وتركيب الغازات
• كم مرة تشتعل السيارات الكهربائية؟
• تقرير: السيارات الكهربائية أقل عرضة للاشتعال
• مبادرة سلامة البطاريات
• سوق أنظمة الإدارة الحرارية لبطاريات السيارات الكهربائية