סוללות ליתיום ראשונות לשימוש "אזרחי" הוצגו בשנת 1991 על-ידי חברת סוני היפנית והיא נאלצה להחזיר אותן לתיקון כבר באותה שנה בגלל "בריחה טרמית" בסוללה של טלפון סלולרי שגרמה לכוויות בפניו של אחד הלקוחות שלה. 33 שנים לאחר מכן ליתיום הוא חלק מן הכימיה הנפוצה ביותר בסוגים שונים של סוללות אשר משמשות למגוון רחב של יישומים – מטלפונים סלולריים ומחשבים ניידים, דרך קורקינטים ואופניים חשמליים ועד לסוללות של יותר מ-100 קילוואט שעה במכוניות חשמליות ובכלי רכב מסחריים חשמליים.
הכימיה של סוללות ליתיום-יון עם קתודת קובלט היא הנפוצה ביותר בזכות היעילות שלה: היא מסוגלת לאגור כמות כפולה של אנרגיה ביחס לסוללות ניקל ופי ארבעה מסוללות עופרת-חומצה, ולספק מתח גבוה עד פי שלושה מסוגי סוללות אחרים. בנוסף, הכימיה הזאת לא סובלת מ"אפקט זיכרון", רמת הפריקה העצמית שלה נמוכה, והיא קלה מאד לתחזוקה.
ככלל, כל סוללה מספקת חשמל על ידי הפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, וזאת באמצעות תגובות כימיות שיוצרות זרימת אלקטרונים מחומר אחד למשנהו. סוללות ליתיום מתכת או ליתיום-יון (Li-ion) נקראות כך על שם החומר שמוטמע באנודה שלהן.
אלא שככל שמתאמצים לצופף ולדחוס יותר אנרגיה לנפח ומשקל נדרשות שיטות ייצור יותר ויותר מתוחכמות ומדויקות ובקרת איכות קפדנית. בין השאר, יצרניות התאים נדרשות להשתמש במפרידים בעובי של 20-25 מיקרומטר ואפילו החדירה של חלקיקי אבק מתכתיים מיקרוסקופיים עלולה להיות בעלת השלכות קטסטרופליות. ה"אוייבים המיידיים" הם חלקיקי ברזל, אלומיניום, נחושת וניקל, ואפילו זיהום מיקרוסקופי שלהם עלול לגרום – באופן מיידי או כעבור זמן – לקצר חשמלי שבמקרה הטוב יגרום לפריקה עצמית מוגברת ובמקרה הגרוע יזרים זרם משמעותי בין הקטבים. במצב כזה מזנקת הטמפרטורה וזה עלול לגרום ל"בריחה תרמית" שנקראת גם "אוורור עם להבה": חום רב במיוחד מבעיר את המפרידים בין התאים ואת הליתיום וגורם לשריפות ואפילו לפיצוצים.
כדי למנוע בריחה טרמית אסור שהטמפרטורה של תא ליתיום-יון עם קתודת קובלט תעלה מעל 130 מעלות צלזיוס. כאשר הטמפרטורה מגיעה ל-150 מעלות התא הופך לבלתי יציב מבחינה תרמית, ו"בריחה טרמית" מתפשטת מן התא שכשל אל תאים סמוכים ויוצרת תגובת שרשרת של תאים "בריאים" שמתחממים במהירות ומצטרפים לבעירה. בתוך מספר שניות, או מספר שעות, כל הסוללה וסוללות שסמוכות אליה עולים באש.
סטטיסטית, שיעור הכשל המשוער של תא סוללה בודד הוא אחד לעשרה מיליון. שירותי הכבאות של לונדון מעריכים ששיעור השריפות במכוניות עם מנועי בעירה הוא כ-0.1% ולעומת זאת שיעור השריפות של סוללות ברכב חשמלי הוא 0.04% בלבד. אבל בסוללה ממוצעת של רכב חשמלי יש כיום כ-7000 תאים והבעיה היא לא כל כך ההסתברות לשריפה – אלא התוצאה שלה כאשר היא מתרחשת.
כשל של סוללת ליתיום יכול לבוא לידי ביטוי באופן ספונטני אבל בסבירות גבוהה בהרבה יתרחש בעת טעינה או שימוש אינטנסיבי, אבל גם סוללה תקינה לחלוטין שלא נמצאת תחת עומס מהווה סכנה. במקרה של תאונה של רכב חשמלי, או שריפה שנגרמת בגלל גורמים חיצוניים אחרים, הנוזל האלקטרוליטי בסוללה עלול להתחמם ולהתלקח במהירות תוך כדי התזתו על הסביבה כולה ושחרור גזים רעילים. הוועדה לבטיחות מוצרי צריכה בארה"ב פרסמה בשנת 2018 דוח שכולל נתונים אודות יותר מ-25,000 תקריות התחממות יתר או שריפה של סוללות שדווחו במשך חמש שנים בלבד, ובהן היו מעורבים יותר מ-400 סוגים של מוצרים שמופעלים באמצעות סוללות ליתיום. במילים אחרות, הרבה יותר סביר שנשמע על שריפות שנגרמו בגלל סוללות ליתיום-יון קטנות, למשל של מוצרי צריכה, מאשר על שריפת כלי רכב, אלא שכפי שכבר נאמר – לשריפה של סוללה גדולה יש פוטנציאל נזק הרבה יותר גדול.
שלוש שיטות ההגנה המקובלות ביותר בימינו כוללות ראשית לכל את צמצום כמות החומר הפעיל באופן שמאפשר יחס סביר בין צפיפות אנרגיה לבטיחות, וכן הטמעת מנגנוני בטיחות שונים בתוך כל תא. שיטה שלישית היא הוספת מעגלי הגנה וניתוק במארז הסוללה אשר מצמצמים או מונעים נחשולי זרם, פותחים "נתיב חשמלי" אלטרנטיבי אם מתח הטעינה גורם לעליה של הלחץ הפנימי בתוך תא אל מעל 150 Psi. בנוסף יש גם נתיבי אוורור פיזיים שמאפשרים שחרור גז מבוקר במקרה של עלייה מהירה בלחץ. נוסף לאמצעי הגנה מכאניים יש גם הגנות אלקטרוניות (נתיכים) שמפסיקות את הזרם אם מתח הטעינה של תא כלשהו מגיע ל-4.30 וולט או כאשר הטמפרטורה עולה על 90 מעלות. בזמן פריקה מוגבל הזרם ל-2.5 וולט.
כיצד מגבירים את הבטיחות?
ברוב המקרים, עוד לפני שסוללת ליתיום כושלת ועולה באש ישנם סימני אזהרה: חום, עיוות והתנפחות של תאים, ולבסוף גם צליל, ריח, וכמובן – עשן. לכן, הצעד הראשון להגברת הבטיחות של סוללות ליתיום הוא יצירת מודעות, גם לעצם הבעיה וגם לסימני האזהרה בדגש על אופן הטיפול בסוללות כאלה (למשל – מניעת הכנסה שלהן למבני ציבור ומגורים או לכל הפחות הגבלת הטעינה שלהן שם). עם זאת, חשוב לשים לב לאופן שבו נעשים הדברים כדי שלא ליצור הפחדה מיותרת מבלי להציג במקביל אליה פתרונות מעשיים.
השלב השני, שבו אנחנו מתמקדים, הוא פיתוח טכנולוגיות מניעה וזיהוי, וכתיבה של תקנים, תהליכים, ורגולציה אפקטיבית. השלב הבא הוא איסוף ושיתוף מידע אודות נתוני הבטיחות גם בין גופים ממשלתיים וגם באופן שקוף מול הציבור. רק באמצעות שיקוף נתונים רלוונטיים תהיה אפשרות לקבל משוב ולהבין את מידת האפקטיביות של כללים ואמצעים שונים. שלב רביעי, לאחר הבנת הבעיה ודרכי הפתרון וקביעת רגולציה, הוא יצירת אכיפה שתאלץ את כל תעשיית הסוללות לייצר מוצרים בטוחים ותגרום לכל המשתמשים למזער את הסיכונים. במקביל יש להעביר ידע רלבנטי לכל גופי הכיבוי והביטחון בעולם ולהעניק להם כלים יעילים להתמודדות עם שריפות של סוללות.
כיווני הפעולה הראשוניים שמסתמנים כעת הם זיהוי מוקדם – למשל באמצעות מצלמות תרמיות וחיישני חום אחרים ובאמצעות הטמעת מנגנוני בקרה במערכות הניהול של סוללות (BMS), שליחה קבועה של מידע אודות מצב הסוללה לסביבה שלה, הגנת סייבר, ופיתוח אמצעי הכלה וכיבוי. כמובן שייתכנו גם כיווני פעולה נוספים שאותם מחפשת קבוצת העבודה.
לקריאה נוספת:
"הרגולטור לא אויב אלא חבר שלי"
קול קורא: מעוניינים להשפיע על תקני הבטיחות העולמיים לסוללות ליתיום? הצטרפו אלינו!
