Pin lithium ion có những ưu điểm là năng lượng riêng cao, công suất riêng cao, nền tảng điện áp cao, tự xả nhỏ, tuổi thọ chu kỳ dài, ô nhiễm môi trường thấp và không có hiệu ứng bộ nhớ. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính, xe điện, quân sự, công nghệ vũ trụ và các lĩnh vực liên quan khác. Tuy nhiên, pin lithium ion mang lại một số mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn trong khi mang lại lợi ích cho nhân loại. Ví dụ, pin lithium ion có thể gây cháy, nổ và các mối nguy hiểm khác trong điều kiện lạm dụng (như sạc quá mức, xả quá mức, đoản mạch, đùn, châm cứu, nhiệt độ cao, v.v.).

Trong những năm gần đây, các vụ tai nạn liên quan đến an toàn của pin lithium ion liên tục xảy ra, gây ra mối đe dọa lớn đến an toàn cá nhân và tài sản của mọi người. Hiệu suất an toàn của pin lithium vẫn là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết. Theo quan điểm của bản thân pin lithium, bản thân nó là vật mang năng lượng, có các yếu tố không an toàn. Các quy trình sản xuất công suất khác nhau và phương pháp sử dụng có được chuẩn hóa hay không sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất an toàn của pin.

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của vật liệu điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân, màng ngăn và các yếu tố khác đến hiệu suất an toàn của pin lithium, nhưng có rất ít nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin đến hiệu suất an toàn của pin lithium. Trong bài báo này, ảnh hưởng của cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin đến hiệu suất an toàn của pin lithium đã được nghiên cứu sâu.

Ba loại pin được sử dụng trong thí nghiệm này là pin vỏ thép loại 18650, pin gói mềm loại cuộn và pin gói mềm loại nhiều lớp có dung lượng 2 Ah. Sự khác biệt là cấu trúc cell pin và cấu trúc vật liệu vỏ đóng gói được chia thành loại cuộn và loại nhiều lớp. Các cell của pin vỏ thép và pin mềm cuộn là loại có cấu trúc cuộn, và các cell của pin mềm cuộn là loại có cấu trúc nhiều lớp. Các vật liệu bao gồm màng composite nhôm nhựa và thép mạ niken.

Thử nghiệm hiệu suất an toàn

Trong nghiên cứu này, ba thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài, châm cứu và quá tải đã được sử dụng để mô tả hiệu suất an toàn của pin. Ba thử nghiệm an toàn trên được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế. Trong điều kiện nhiệt độ phòng, thử nghiệm đâm đinh được thực hiện bằng buồng thử đâm đinh. Hiệu suất quá tải được thử nghiệm bằng tủ thử nghiệm.

Thử nghiệm ngắn mạch ngoài

Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ của pin mềm nhiều lớp, pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 tăng nhanh trong thời gian ngắn khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên ngoài, nhiệt độ tối đa lần lượt là 64, 82 và 102 ℃. Do được bảo vệ bằng màng ngăn khô nên mặc dù pin bị đoản mạch bên ngoài, hai cực của pin vẫn sớm cho thấy một điện áp nhất định. Khi điện áp pin tăng lên bằng không, nhiệt độ bề mặt của ba loại pin lần lượt đạt đến nhiệt độ tối đa của chúng. Khi dòng điện đoản mạch giảm xuống bằng không, quá trình xả pin dừng lại và nhiệt độ bề mặt pin giảm dần xuống nhiệt độ phòng. Không có hiện tượng cháy nổ sau khi đoản mạch của ba loại pin.

Van an toàn của pin vỏ thép mở và có rò rỉ chất lỏng. Không tìm thấy hiện tượng rõ ràng nào đối với hai loại pin còn lại. Nguyên nhân của hiện tượng trên là tại thời điểm dây đồng được kết nối, các điện cực dương và âm của pin tạo thành một mạch kín thông qua dây đồng, điện áp giảm nhanh, dòng điện tăng tức thời và dòng điện ngắn mạch có thể đạt tới hơn 60 A. Nhiệt sinh ra bởi dòng điện lớn thông qua điện trở trong của pin và sự tích tụ nhiệt. Nhiệt độ bề mặt của pin tăng nhanh.

Từ thí nghiệm đoản mạch, có thể kết luận rằng nhiệt độ tăng của ba loại pin là khác nhau. Nhiệt độ tăng tối đa của pin vỏ thép là nhỏ nhất. Ngoài việc lấy các điều kiện khắc nghiệt như cháy nổ làm tiêu chuẩn đánh giá, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt của hồ mặt trăng cũng là dữ liệu trực quan của kết quả thí nghiệm, có thể mô tả ưu điểm và nhược điểm của thử nghiệm đoản mạch. Nhiệt độ pin càng cao thì hiệu suất an toàn của pin càng kém. Các kết quả trên cho thấy độ an toàn của pin trong ba quy trình sản xuất lần lượt là từ cao xuống thấp, pin mềm nhiều lớp, pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650.

Thử nghiệm độ đâm xuyên

Có thể thấy từ thử nghiệm, nhiệt độ của pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 tăng lên lần lượt là 190 ℃ và 239 ℃ trong thời gian ngắn, pin vỏ thép bắt lửa và cháy; Một lượng lớn khói đã được phát ra từ pin mềm cuộn, nhưng không có đám cháy. Sau đó, nhiệt độ bề mặt của pin giảm dần. Tuy nhiên, pin mềm nhiều lớp không bốc khói hoặc cháy, và nhiệt độ tối đa chỉ là 82 ℃.

Cơ chế của phản ứng trên là sau khi pin bị thủng, kim thép và các cực dương và cực âm của pin tạo thành một mạch kín, và xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong ngay lập tức. Điện áp ở cả hai đầu pin giảm nhanh xuống bằng không, và dòng điện tăng đột ngột, tạo ra nhiệt lượng lớn. Nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, dẫn đến sự giãn nở hơn nữa của vùng đoản mạch nóng chảy của màng ngăn, gây ra một vòng luẩn quẩn.

Sự khác biệt giữa kết quả của pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 nằm ở vật liệu vỏ đóng gói khác nhau. Loại trước sử dụng màng nhựa nhôm để đóng gói và loại sau sử dụng thép mạ niken để đóng gói. Lý do tại sao áp suất nổ của loại trước thấp hơn nhiều so với loại sau là do màng composite nhựa nhôm của pin lithium ion đóng gói mềm có độ dẻo nhất định và độ bền cơ học thấp. Trong trường hợp đoản mạch bên trong, pin dễ bị phồng và xả, giảm nguy cơ nổ. Pin vỏ thép là cấu trúc khép kín, sẽ tạo ra sức nổ lớn trong trường hợp nổ.

Sự khác biệt giữa kết quả của pin mềm cuộn và pin mềm nhiều lớp nằm ở sự khác biệt về cấu trúc cell của chúng. Cell cuộn bao gồm một tấm dương, một tấm âm và hai màng ngăn, được quấn bằng máy quấn để tạo thành điện trở bên trong khoảng 50 mΩ. Các cell của pin mềm nhiều lớp được xếp chồng xen kẽ với các tấm điện cực dương và âm và màng ngăn, trong đó màng ngăn có hình chữ Z. Pin nhiều lớp tương đương với nhiều pin song song, với điện trở bên trong khoảng 10 mΩ.

Ngoài ra, do số lớp lõi điện dạng cuộn nhiều hơn lõi điện dạng nhiều lớp nên diện tích tiếp xúc ngắn mạch lớn hơn, nhiệt sinh ra cũng nhiều hơn. Do đó, nhiệt độ bề mặt của pin mềm dạng cuộn cao hơn 108℃ so với pin mềm dạng nhiều lớp. Tóm lại, pin mềm dạng nhiều lớp có hiệu suất an toàn cao nhất.

Phần kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy pin vỏ thép loại 18650 có hiện tượng đánh lửa và cháy nghiêm trọng trong thí nghiệm châm cứu. Trong quá trình thử nghiệm quá tải 3 C, 5 V, pin mềm loại quấn có hiện tượng phồng và đánh lửa và cháy, trong khi pin mềm nhiều lớp chỉ có hiện tượng phồng. Pin vỏ thép không có nguy cơ an toàn tiềm ẩn rõ ràng do có van an toàn riêng bảo vệ. Do đó, cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất an toàn của pin lithium ion.