Được chính sách hướng dẫn và hỗ trợ, xe điện đã bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Chính phủ và các nhà sản xuất động cơ lớn đã xây dựng các kế hoạch phát triển tương ứng cho xe điện. Trong tương lai, xe điện sẽ dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống. Tuy nhiên, sau một loạt các vụ va chạm xe điện được báo cáo, hỏa hoạn và thậm chí là nổ lại xảy ra, khiến mọi người chú ý đến sự an toàn của xe điện. Xe điện chủ yếu sử dụng pin điện làm nguồn điện, dẫn đến một loạt các vấn đề như bộ pin điện, dây điện cao thế và thấp thế và bảo vệ đầu tải. Tuy nhiên, do đặc điểm tích hợp điện áp cao và năng lượng điện cao, nên việc bố trí bộ pin điện trên xe và bảo vệ va chạm cần được chú trọng.

Các luật và quy định hiện hành đưa ra các tiêu chuẩn phát hiện tương ứng đối với việc lạm dụng cơ học của bộ pin. Tuy nhiên, trong điều kiện đường thực tế, các hình thức tai nạn ô tô khác nhau và có nguy cơ bộ pin sẽ bị ép sau khi va chạm với xe, dẫn đến cháy nổ. Do đó, cần phải nghiên cứu về an toàn va chạm của bộ pin điện.

Một số học giả đã nghiên cứu tính an toàn của pin từ các thành phần được sử dụng trong pin, chẳng hạn như vật liệu điện cực, bộ tách và thành phần điện phân. Ngoài ra còn có một loạt các nghiên cứu thực nghiệm về pin điện, chẳng hạn như thử nghiệm lõm, uốn cong ba điểm, châm cứu và thả trọng lượng, để khám phá phản ứng cơ học của pin điện khi chịu tải. Phân tích mô phỏng cấu trúc cụm pin và hiệu suất va chạm của xe năng lượng mới cũng được thực hiện, để cung cấp hướng dẫn cho thiết kế an toàn kết cấu của xe có pin điện.

Trong bài báo này, một loại pin lithium ion nhất định được lấy làm đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm đùn được thực hiện theo các hướng khác nhau của cell. Thông qua việc thu thập dữ liệu về áp suất đùn, nhiệt độ và điện áp, hướng của sức cản yếu đối với quá trình đùn của cell được tìm ra. Sau đó, khả năng chịu đựng hư hỏng do đùn của cell được xác định thêm thông qua việc phân tích các điều kiện tải khác nhau. Thứ hai, khả năng chống đùn của các mô-đun theo các hướng khác nhau được phân tích.

1. Pin điện bị mất nhiệt

Lấy pin năng lượng lithium ion làm ví dụ, cơ chế hoạt động chính của nó liên quan đến việc tách lithium và chèn lithium của vật liệu catốt và anode, cũng như truyền và khuếch tán các ion lithium trong chất điện phân (khối lượng) và vật liệu màng ngăn. Hầu hết các vấn đề về an toàn của pin năng lượng đều liên quan trực tiếp đến thành phần vật liệu của pin. Do lạm dụng cơ học, chẳng hạn như pin quá nóng, sạc quá mức, xả, va đập, đùn, v.v., các phản ứng hóa học sẽ xảy ra giữa các vật liệu pin bên trong, dẫn đến quá nhiệt và cuối cùng dẫn đến tai nạn cháy nổ.

Sau tai nạn va chạm xe hơi, cấu trúc pin sẽ bị biến dạng sau khi bị va chạm và ép, dẫn đến hỏng vật liệu linh kiện bên trong, bao gồm cả màng ngăn bị vỡ hoặc vật liệu catốt và anot bị vỡ, dẫn đến ngắn mạch bên trong; ngắn mạch bên trong tạo ra một lượng lớn nhiệt Joule, dẫn đến phân hủy vật liệu trong một pin. Khi nhiệt độ nằm trong khoảng từ 80 ℃ đến 120 ℃, giao diện chất điện phân rắn (SEI) đầu tiên bị phân hủy.

Khi phản ứng phân hủy màng SEI tiến triển đến một mức độ nhất định, một loạt các phản ứng hóa học tiếp theo sẽ xảy ra. Sự chạy trốn nhiệt của pin lithium ion có thể được chia thành năm giai đoạn phản ứng sau theo sự gia tăng nhiệt độ: Phản ứng phân hủy màng SEI, phản ứng điện cực âm và chất điện phân, phản ứng phân hủy hoạt chất dương, phản ứng kết dính và phản ứng phân hủy chất điện phân. Phản ứng sinh nhiệt bên trong pin cũng sẽ tạo ra một lượng lớn khí và áp suất bên trong cấu trúc sẽ nhanh chóng tăng lên và tụ lại; Khi áp suất đạt đến giới hạn chịu lực của cấu trúc, có thể xảy ra cháy nổ. Khi một pin đơn lẻ bị hỏng, nó cũng sẽ nhanh chóng lan sang các pin liền kề, dẫn đến hỏng hệ thống pin, gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn.

Khi pin điện bị đoản mạch, điện áp bắt đầu giảm và nhiệt độ bắt đầu tăng, do đó nhiệt độ và điện áp có thể được sử dụng làm cơ sở phán đoán cho sự cố của pin điện. Xem xét rằng nhiệt độ sau khi đoản mạch bên trong chỉ có thể truyền đến bề mặt pin trong một thời gian nhất định và bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ môi trường, so với nhiệt độ, điện áp là thông số có thể phán đoán tương đối nhanh chóng và chính xác sự cố ngắn mạch của pin điện. Giá trị quan trọng của sự cố đùn của loại pin này có thể được xác định bằng cách tăng nhiệt độ và bắt đầu giảm điện áp.

Hình 1 cho thấy dữ liệu nhiệt độ và điện áp thu thập được trong quá trình chạy trốn nhiệt của cell bị ép trong thử nghiệm. Trong vòng 0 ~ 36 giây, cell bị ép đến một mức độ nhất định, điện áp vẫn ổn định ở mức 4,14V và nhiệt độ pin là 26,2 ℃; Trong vòng 37-38 giây, điện áp giảm xuống 2mV và nhiệt độ pin tăng lên 30,5 ℃; Khi tải đạt 50 giây, điện áp đo được luôn là 2 mV và nhiệt độ tăng lên 131 ℃. Lúc này, quan sát thấy một lượng lớn khói phát ra từ cell; Trong vòng 50 ~ 51 giây, nhiệt độ pin tăng từ 131 ℃ lên 614 ℃, sau đó xảy ra cháy nổ.

Hình 2 cho thấy hiện tượng khói, cháy, nổ khi nhiệt độ đùn của một cục pin đơn không được kiểm soát trong quá trình thử nghiệm.

2.Thử nghiệm độ bền của pin

Bộ pin điện thường được bố trí dưới sàn xe. Trong trường hợp va chạm phía trước hoặc va chạm phía sau, có đủ không gian hấp thụ năng lượng ở phía trước và phía sau xe, biến dạng cấu trúc của sàn nhỏ và bộ pin điện sẽ không bị hư hỏng do đùn; Tuy nhiên, khi xe chịu tác động bên hông, không gian hấp thụ năng lượng bên nhỏ và lực tác động được truyền đến dầm sàn, kênh trung tâm và các khu vực khác thông qua ngưỡng. Bộ pin điện dễ bị ép và hư hỏng, do đó gây hư hỏng cho các mô-đun và monome bên trong. Do đó, có thể cung cấp cơ sở cho thiết kế bố trí an toàn của bộ pin điện và phán đoán lỗi trong mô phỏng để xác định khả năng chịu đựng hư hỏng đùn của từng ô bằng cách thử nghiệm và nghiên cứu hư hỏng và hỏng hóc của các ô pin và mô-đun trong điều kiện đùn.

Pin lithium ion, cũng như mẫu tổng thể bao gồm pin không thể thay thế của người dùng/pin lithium ion và các sản phẩm điện tử của nó. Đối với pin không thể thay thế của người dùng, chúng nên được lắp vào các sản phẩm điện tử như một mẫu toàn bộ để thử nghiệm an toàn môi trường pin lithium ion tiêu chuẩn; Đối với pin lithium-ion không thể thay thế của người dùng, chúng có thể được đặt vào các sản phẩm điện tử như một mẫu toàn bộ hoặc chúng có thể được lấy ra riêng để thử nghiệm an toàn môi trường tiêu chuẩn của pin lithium-ion. Chúng tôi khuyến nghị nên ưu tiên chúng như một mẫu toàn bộ để thử nghiệm. Vì rò rỉ không khí, khói, cháy và thậm chí nổ có thể xảy ra trong quá trình thử nghiệm, nên phải thực hiện các biện pháp bảo vệ cần thiết, chẳng hạn như đặt mẫu trong thiết bị thông gió có chức năng chống nổ.

1.Áp suất không khí thấp

Mục đích thử nghiệm: Thử nghiệm áp suất thấp được sử dụng để mô phỏng tác động của điều kiện áp suất thấp đến sự an toàn của pin lithium ion trong quá trình vận chuyển bằng đường hàng không. Sau khi thử nghiệm, các mẫu phải không có cháy, nổ và rò rỉ chất lỏng. Dụng cụ và thiết bị: chẳng hạn như buồng thử nghiệm mô phỏng độ cao , buồng chân không (hoặc buồng thử nghiệm áp suất không khí thấp).

2.Chu trình nhiệt

Mục đích thử nghiệm: Thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ của pin lithium ion được sử dụng để mô phỏng tính an toàn của pin lithium ion khi pin này liên tục tiếp xúc với nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao trong quá trình vận chuyển hoặc lưu trữ. Thử nghiệm được tiến hành với những thay đổi nhiệt độ nhanh và cực độ. Sau khi thử nghiệm, mẫu sẽ không bị cháy, nổ và rò rỉ chất lỏng. Dụng cụ và thiết bị: chẳng hạn như Buồng thử nghiệm chu kỳ nhiệt .

3.Rung động

Mục đích thử nghiệm: Độ rung trong quá trình vận chuyển và mang vác mô phỏng của thử nghiệm này sẽ không dẫn đến các vấn đề an toàn như rò rỉ chất lỏng, cháy nổ pin lithium ion. Dụng cụ và thiết bị; Chẳng hạn như băng ghế thử nghiệm độ rung .

Biện pháp phòng ngừa: Cần lưu ý những điểm sau đây khi thử nghiệm độ rung của pin lithium ion:

1) Mẫu phải được cố định sao cho tín hiệu rung có thể truyền chính xác đến mẫu mà không bị biến dạng;

2) Mỗi ​​mẫu phải được thử nghiệm rung động theo nhiều hướng khác nhau trong nhiều lần liên tiếp;

3) Đối với hướng thử nghiệm, hình dạng của pin lithium ion có thể không đều. Cần thử nghiệm theo ba hướng vuông góc với nhau. Ngoài ra, cần lưu ý rằng sau khi thử nghiệm rung của pin lithium ion, cũng cần có chu kỳ xả và sạc (khuyến nghị nên sử dụng đồ gá chuyên dụng trong quá trình rung để đảm bảo quá trình rung không xảy ra hiện tượng như dịch chuyển mẫu dẫn đến thay đổi giá trị G).

4. Tác động tăng tốc

Mục đích thử nghiệm: Thử nghiệm va chạm tăng tốc pin lithium ion là để mô phỏng các vấn đề an toàn như cháy, nổ hoặc rò rỉ chất lỏng khi pin lithium ion gặp phải va chạm tăng tốc trong quá trình mang vác hoặc vận chuyển. Thiết bị và dụng cụ: chẳng hạn như băng ghế thử nghiệm va chạm tăng tốc .

Thận trọng: Cần chú ý đến những điểm sau đây khi thử nghiệm va chạm gia tốc của pin lithium ion:

1) Thử nghiệm va đập gia tốc của pin lithium ion tương tự như thử nghiệm rung động của pin lithium ion. Cần chú ý đến phương pháp cố định mẫu, nhiều lần thử nghiệm của mỗi mẫu và hướng thử nghiệm.

2) Các biện pháp phòng ngừa đối với thử nghiệm va chạm tăng tốc cực đại của pin lithium ion cũng giống như các biện pháp phòng ngừa đối với thử nghiệm va chạm tăng tốc của pin.

3) Ngoài ra, cần lưu ý rằng cần phải có chu kỳ sạc xả sau khi thử nghiệm tăng tốc pin lithium ion.

5. Thả

Thả hai mặt đầu của pin lithium ion hình trụ và hình nút lần lượt một lần, thả bề mặt hình trụ hai lần, và thực hiện tổng cộng bốn lần thử nghiệm thả rơi; Thả mỗi mặt của pin lithium ion hình vuông một lần, và thực hiện tổng cộng sáu lần thử nghiệm; Thử nghiệm thả rơi bằng thiết bị sẽ được thực hiện đối với pin/pin lithium ion không thể thay thế của người dùng và mỗi mặt của thiết bị sẽ thả một lần. Mẫu không được có cháy, nổ và rò rỉ chất lỏng.

Mục đích thử nghiệm: Việc rơi vô tình (như rơi từ ghế, mặt bàn và tay) trong quá trình vận chuyển, mang vác và sử dụng mô phỏng thử nghiệm này sẽ không dẫn đến các vấn đề an toàn như rò rỉ chất lỏng, cháy nổ pin lithium ion. Thử nghiệm này mô phỏng một cú rơi vô tình hợp lý và có thể dự đoán được, mà không xem xét các vấn đề an toàn do rơi nhân tạo, cố ý, vô lý và không thể dự đoán được. Dụng cụ và thiết bị: chẳng hạn như Máy thử rơi pin

Thận trọng: Cần lưu ý những điểm sau đây khi thử nghiệm thả rơi pin lithium ion:

1) Mỗi ​​mẫu cần chịu được thử nghiệm thả rơi theo nhiều hướng khác nhau trong nhiều lần liên tiếp;

2) Phải thực hiện các biện pháp cần thiết để đảm bảo độ chính xác của hướng thử nghiệm và đảm bảo rằng các biện pháp đó không ảnh hưởng đến chuyển động rơi tự do;

3) Điều kiện thử nghiệm thả rơi đối với pin lithium ion cũng tính đến trường hợp rơi vô tình trong quá trình sử dụng thực tế, do đó, một số pin lithium ion cần thử nghiệm thả rơi ở độ cao 1,5m; Ngoài ra, cần lưu ý rằng pin lithium ion cần trải qua chu kỳ xả và sạc.

6. Thử nghiệm nhiệt độ cao

Mẫu phải đủ an toàn để sử dụng ở nhiệt độ cao. Kiểm tra thử nghiệm sử dụng ở nhiệt độ cao sau đây được sử dụng để kiểm tra xem mẫu có đủ tiêu chuẩn hay không: đặt mẫu đã sạc đầy vào buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và nhiệt độ trong buồng thử nghiệm được đặt là nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc và xả pin lithium ion, nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc và xả pin và giá trị tối đa là 80 ℃ do nhà sản xuất chỉ định. Sau khi nhiệt độ bề mặt của mẫu ổn định, giữ trong 7 giờ.

Mẫu phải đáp ứng một trong các yêu cầu sau:

1) Cắt mạch điện mà không gây cháy, nổ và rò rỉ chất lỏng;

2) Nếu mạch không bị cắt, phương pháp sạc và xả trong quá trình thử nghiệm nhiệt độ cao sẽ tiếp tục thực hiện chu kỳ sạc xả và mẫu sẽ không có khói, ngọn lửa và rò rỉ chất lỏng.

Mục đích thử nghiệm: Thử nghiệm này mô phỏng tính an toàn của pin lithium ion khi sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao. Ví dụ, để điện thoại di động ở chế độ chờ hoặc trạng thái sạc xe trong xe ô tô tiếp xúc với ánh nắng mặt trời trong thời gian dài. Dụng cụ và thiết bị: chẳng hạn như buồng thử nghiệm nhiệt độ cao .

Biện pháp phòng ngừa: Cần chú ý đến những điểm sau đây khi thử nghiệm pin lithium ion ở nhiệt độ cao:

1) Thời gian giữ nhiệt độ cao là 7h, thời gian bắt đầu sau khi nhiệt độ bề mặt mẫu cân bằng. Nếu thời gian thực hiện chu kỳ xả và nạp điện lớn hơn 7h, thời gian thử nghiệm nhiệt độ cao có thể kéo dài đến cuối chu kỳ xả và nạp điện này

2) Nhiệt độ thử nghiệm là nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc pin lithium ion (như 40 ℃) và nhiệt độ giới hạn trên của quá trình xả (như 55 ℃). Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc pin (như 45 ℃) và nhiệt độ giới hạn trên của quá trình xả (Ví dụ, giá trị tối đa giữa 60 ℃ và 80 ℃, nói chung: nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc pin lithium ion ≤ nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sạc pin <80 ℃ và nhiệt độ giới hạn trên của quá trình xả pin lithium ion ≤ nhiệt độ giới hạn trên của quá trình xả pin <80 ℃, vì vậy nhiệt độ thử nghiệm nói chung được chọn là 80 ℃.

3) Vì luồng không khí trong buồng thử nghiệm sẽ đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt, gây ra hiện tượng mất nhiệt trên bề mặt pin trong quá trình sạc và xả. Do đó, có thể cần phải giảm tốc độ gió và các cách khác để giảm thiểu tác động lên mẫu.

Trong khi pin lithium mang lại sự tiện lợi cho cuộc sống của con người, thì sự an toàn của nó cũng được mọi người quan tâm. Sự đốt cháy dữ dội của chất điện phân sẽ xuyên qua tấm kim loại và giới hạn nổ của khí nhiệt phân cao hơn giới hạn nổ của hydrocarbon. Phản ứng nhiệt độ cao của pin lithium dễ gây ra các sự kiện nguy hiểm và đặc tính nhiệt độ cao của nó là một thông số quan trọng và cơ bản của nguy cơ hỏa hoạn. Do đó, cần phải khám phá tác động của môi trường điện áp thấp đến nhiệt độ giải phóng nhiệt độ cao của pin lithium để giảm nguy cơ sử dụng chúng.

1. Tổng quan về hiện tượng thoát nhiệt của pin lithium

Quá trình chạy trốn nhiệt của pin lithium bao gồm hai dạng: nổ sơ cấp và nổ cháy. Trong giai đoạn nổ sơ cấp, nhiệt độ bên trong pin lithium sẽ tăng lên. Nếu áp suất tăng, cổng xả áp của pin lithium sẽ mở ra và khói sẽ liên tục thoát ra. Trong quá trình nổ cháy, pin lithium sẽ gặp vấn đề phun nghiêm trọng. Một lượng lớn các chất phát sáng có nhiệt độ cao sẽ được phun ra từ cực dương của pin và quá trình đốt cháy thứ cấp sẽ được thực hiện cùng lúc.

Trong môi trường điện áp thấp, khói thoát ra trong quá trình nổ sơ cấp do nhiệt của pin lithium mất nhiều thời gian, sẽ không cháy sau khi quá trình phun hoàn tất và độ sáng của vật liệu phun ra cũng sẽ giảm. Trong bài báo này, các thí nghiệm phản ứng nhiệt thoát ra đã được thực hiện trên nhiều loại pin lithium trong các môi trường áp suất khác nhau là 30kPa, 60kPa và 101kPa để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ giải phóng nhiệt thoát ra của điện cực dương của pin.

2. Ảnh hưởng của môi trường áp suất thấp đến sự thoát nhiệt của pin 

2.1 Tác động của môi trường áp suất thấp đến nhiệt độ của cell pin lithium ion

Trong quá trình cháy nổ do nhiệt của pin lithium, khi điện tích của pin khác nhau, áp suất xung quanh giảm sẽ dẫn đến nhiệt độ phản ứng của thân pin tăng lên. Do đó, áp suất càng lớn thì khả năng nổ pin lithium càng lớn. Đồng thời, nhiệt độ cháy của thân pin lithium cũng sẽ giảm khi điện tích tăng và quá trình này sẽ không bị ảnh hưởng bởi môi trường áp suất. Khi điện tích là 100%, 50% và 0%, nhiệt độ tối đa của pin lithium sẽ tăng khi áp suất tăng. Áp suất càng thấp thì nguy cơ đánh lửa và nổ của pin lithium càng thấp. Ngoài ra, nhiệt độ tối đa của pin lithium dưới các áp suất khác nhau sẽ tăng khi điện tích tăng.

2.2 Ảnh hưởng của môi trường áp suất thấp đến nhiệt độ của cổng phun pin lithium ion

Trong phản ứng nhiệt độ tăng vọt, nhiệt độ ở đầu ra của cực dương của pin là nhiệt độ giải phóng do phản ứng nhiệt độ tăng vọt. Nguồn năng lượng giải phóng nhiệt độ tăng vọt chủ yếu bao gồm các nội dung sau: Thứ nhất, năng lượng giải phóng do phản ứng đốt cháy thứ cấp của các chất dễ cháy và dễ bắt lửa do nhiệt độ tăng vọt tạo ra trong nhiều môi trường áp suất khác nhau. Thứ hai, vật liệu nhiệt độ cao và năng lượng giải phóng do phản ứng nhiệt độ tăng vọt bên trong pin lithium. Thông qua các thí nghiệm lặp lại trong các môi trường áp suất khác nhau là 30kPa, 60kPa và 101kPa, có thể thấy rằng môi trường áp suất thấp sẽ có nhiều tác động đến nhiệt độ môi trường do nhiệt độ tăng vọt của pin lithium gây ra, có thể chia thành các khía cạnh sau:

(1) Môi trường áp suất 30kPa

Trong môi trường áp suất thấp 30kPa, nhiệt độ giải phóng nhiệt độ thoát ra đo được tại đầu ra phản lực dương của pin chủ yếu được chia thành năm đỉnh: 1~4 đỉnh nhiệt độ cao tập trung trong phản ứng nhiệt độ thoát ra của bảy pin; đỉnh 1 và 2 xảy ra trong phản ứng nhiệt độ thoát ra thứ nhất và thứ hai, với chiều rộng đỉnh hẹp và thời gian nhiệt độ cao ngắn; Một phần giá trị đỉnh 3 và 4 xuất hiện trong giai đoạn phản ứng nhiệt độ thoát ra thứ ba đến thứ bảy của pin lithium, trong đó nhiệt độ của giá trị đỉnh 3 thấp hơn, trong khi giá trị đỉnh 4 xảy ra trong giai đoạn phản ứng nhiệt độ thoát ra của pin lithium ion hoàn tất. Nhiệt độ của giá trị đỉnh 4 gần với giá trị đỉnh 5 và nhiệt độ cao hơn; Giá trị đỉnh 5 xuất hiện sau khi phản ứng nhiệt độ thoát ra hoàn tất. Lúc này, các chất dễ cháy còn lại phun ra từ ion lithium và lớp vỏ pin đang cháy. Do đó, nhiệt độ giải phóng cao, chiều rộng của giá trị đỉnh lớn và nhiệt độ cao kéo dài trong thời gian dài.

Do đó, số lượng đỉnh nhiệt độ được giải phóng trong giai đoạn nhiệt độ tăng vọt của pin lithium trong môi trường áp suất thấp 30kPa là nhỏ, và chiều rộng và số lượng đỉnh nhiệt độ cao thấp hơn so với môi trường 60kPa, vì vậy nguy cơ nhiệt độ cao của pin thấp hơn so với môi trường Yuli 60kPa. Ngoài ra, nồng độ oxy trong môi trường nuôi cấy áp suất thấp 30kPa thấp, có thể ức chế phản ứng nhiệt độ tăng vọt dữ dội bên trong của pin lithium ion ở một mức độ nhất định, khiến các chất dễ cháy khí hữu cơ do phản ứng nhiệt độ tăng vọt tạo ra khó tiến hành phản ứng đốt cháy thứ cấp trong môi trường áp suất thấp. Người ta thấy rằng phản ứng tỏa nhiệt nhiệt độ tăng vọt của vật liệu bên trong pin ion kali 30kPa là lý do khiến nhiệt độ cao sinh ra trong môi trường áp suất thấp.

(2) Môi trường áp suất 60kPa

Phản ứng nhiệt độ cao của pin tạo thành quá trình cháy và nổ bằng cách phun các vật liệu sáng và nhiệt độ cao, sau đó tạo ra đỉnh nhiệt độ cao. Khi môi trường áp suất là 60kPa, pin lithium ion có 7 phản ứng nhiệt độ cao. Thông qua việc phát hiện nhiệt độ môi trường của cổng phun pin lithium, người ta thấy rằng có 5 đỉnh nhiệt độ cao nhiệt độ cao trong phản ứng, trong đó 1 đến 4 đỉnh nhiệt độ cao chủ yếu tập trung ở phản ứng nhiệt độ cao thứ bảy. Giá trị đỉnh nhiệt độ cao của ion lithium 5 xuất hiện sau khi phản ứng nhiệt độ cao của bảy pin hoàn tất. Ở giai đoạn này, pin ion kali phun các chất dễ cháy và vỏ nhựa để tạo thành đỉnh nhiệt độ cao thông qua phản ứng đốt cháy. Nhiệt độ của các đỉnh 2, 3 và 4 là khoảng 800 ℃ và nhiệt độ tối đa là khoảng 1100 ℃. Chiều rộng đỉnh hẹp. So với môi trường áp suất 101kPa, bảy phản ứng mất kiểm soát nhiệt đã xảy ra trong môi trường 60kPa: đỉnh nhiệt độ của cổng phun pin lithium-ion là bốn và phân tích cho thấy các chất pháo hoa được tiêm bởi phản ứng mất kiểm soát nhiệt ở Lok Lok có tác động thấp đến nhiệt độ cao. Nếu giá trị đỉnh cao hơn 600 ℃, chiều rộng sẽ thu hẹp lại. Do đó, thời gian nhiệt độ cao do phản ứng mất kiểm soát nhiệt tạo ra trong môi trường áp suất thấp 60kPa bị rút ngắn. Đồng thời, phản ứng giải phóng nhiệt độ cao của nhiệt mất kiểm soát trong môi trường áp suất 60kPa an toàn hơn so với ở áp suất bình thường, do đó nồng độ oxy trong môi trường này thấp hơn ở áp suất bình thường. Nhiệt giải phóng ở nhiệt độ cao chủ yếu giải phóng năng lượng thông qua phản ứng nhiệt của các vật liệu bên trong pin và một phần khác đến từ khí dễ cháy do phản ứng mất kiểm soát nhiệt tạo ra bên trong pin.

(3) Môi trường áp suất 101kPa

Trong môi trường áp suất 101 kPa, tức là dưới áp suất bình thường, pin sẽ lần lượt trải qua phản ứng mất kiểm soát nhiệt trong một số điều kiện nhất định. Pin lithium ion đã trải qua bảy phản ứng mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng trong môi trường điện áp thấp. Trong phản ứng của pin, đỉnh phản ứng nhiệt độ cao sẽ được bắt giữ ở vị trí cao hơn khoảng 30mm so với đỉnh đó và đỉnh nhiệt độ cao của môi trường do phản ứng đốt cháy tia mạnh gây ra sẽ thường được phân bổ đều trong phạm vi gấp 1-7 lần phản ứng mất kiểm soát nhiệt. Tất cả các nhiệt độ đỉnh nhiệt độ cao đều cao hơn nhiều so với 600 ℃, nhiệt độ tối thiểu khoảng 800 ℃ và nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 1100 ℃. Đồng thời, chiều rộng đỉnh của phản ứng nhiệt ion lithium giải phóng nhiệt độ cao trong 101 kPa là lớn, do đó nhiệt độ giải phóng kéo dài trong một thời gian dài. Bảy phản ứng nhiệt không kiểm soát trong môi trường 101 kPa sẽ giải phóng năng lượng nhiệt độ cao và có tác động liên tục đến nhiệt độ cao đối với môi trường xung quanh. Ngoài ra, các nguồn nhiệt độ cao giải phóng bởi phản ứng nhiệt thoát ra của pin lithium trong môi trường có áp suất khí quyển 101kPa bao gồm các yếu tố sau: phản ứng nhiệt mạnh diễn ra bên trong pin lithium ion để giải phóng năng lượng; Khí dễ cháy được hình thành trong pin lithium thông qua phản ứng và phản ứng đốt cháy thứ cấp được thực hiện trong môi trường áp suất bình thường để giải phóng nhiệt.

Pin lithium-ion điện có ưu điểm là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, điện áp định mức cao, khả năng chịu tải điện cao và hiệu suất tự xả thấp, đã trở thành pin điện lý tưởng cho xe điện hybrid và xe điện thuần túy. Tuy nhiên, vấn đề an toàn của pin lithium-ion đã trở thành yếu tố chính ngăn cản nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện.

Với sự gia tăng số lượng xe điện, các vấn đề về an toàn của chúng ngày càng nổi bật và các vấn đề an toàn của xe điện chủ yếu đến từ hệ thống điện của chúng – pin lithium ion. Vấn đề an toàn của pin lithium-ion chủ yếu là do cháy nổ do thoát nhiệt, và một trong những lý do gây thoát nhiệt là do chập mạch bên trong pin.

Hiện nay, nghiên cứu về hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion chủ yếu tập trung vào phân tích mô hình và phân tích thực nghiệm của một loại pin. Bài báo này áp dụng các phương pháp khác nhau cho pin 18650 và pin vuông để mô phỏng hiện tượng mất kiểm soát nhiệt do ngắn mạch trong cell của mô-đun pin và khám phá phương pháp phù hợp để xác minh hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của mô-đun pin nguồn.

1.Chập mạch trong máy

Nhìn chung, nguy cơ xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong trong quá trình thử nghiệm lạm dụng là lớn nhất.

Khi pin bị đoản mạch bên trong, nhiệt độ bên trong tăng lên. Nhiệt độ cao sẽ gây ra một loạt các phản ứng tỏa nhiệt của vật liệu pin và nhiệt sinh ra từ phản ứng sẽ làm tăng thêm nhiệt độ bên trong pin và tăng cường tốc độ phản ứng tỏa nhiệt. Cuối cùng, phản ứng tỏa nhiệt và nhiệt độ cao ảnh hưởng lẫn nhau, tạo ra trạng thái mất kiểm soát, tức là mất kiểm soát nhiệt, dẫn đến các tai nạn an toàn như cháy nổ pin lithium ion. Hiện nay, hiện tượng đoản mạch bên trong pin chủ yếu do hai lý do sau: lỗi của màng ngăn đầu tiên, ô nhiễm nguyên liệu thô hoặc cặn của vật lạ sẽ liên tục bị hư hỏng và khuếch đại trong quá trình vận chuyển và sử dụng pin.

Ở giai đoạn này, ngay cả nhà sản xuất pin có kiểm soát chất lượng tốt nhất cũng không thể tránh hoàn toàn tạp chất kim loại hoặc gờ phát sinh trong quá trình sản xuất: việc sử dụng pin thứ hai vượt quá phạm vi áp dụng của dòng điện, điện áp và nhiệt độ do nhà sản xuất chỉ định. Một phương pháp được chấp nhận rộng rãi để kiểm tra ngắn mạch bên trong trong ngành phải có các đặc điểm sau:

(1) Nó có thể thích ứng với sự thay đổi về cấu trúc và hình dạng của pin (có thể sử dụng pin hình trụ hoặc hình vuông)

(2) Kết quả thử nghiệm phải có khả năng so sánh với kết quả của các biến khác.

Nhiều mạch ngắn bên trong có thể được phân loại thành bốn loại sau: cực âm tới cực dương, cực âm tới lá nhôm, lá đồng tới lá nhôm và lá đồng tới cực dương

2. Giới thiệu phương pháp ngắn mạch trong cell đơn

Trong bài báo này, pin loại 18650 và pin vuông có cùng vật liệu dương được sử dụng để mô phỏng thử nghiệm. Phương pháp kích hoạt ngắn mạch trong pin thử nghiệm là nung nóng dây điện trở và đâm đinh.

(1) Làm nóng bằng dây điện trở

Phương pháp gia nhiệt bằng dây điện trở được sử dụng để mô phỏng sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium ion do sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ môi trường. Màng ngăn pin được cấu tạo từ màng ngăn ba lớp PP/PE/PP, trong đó điểm nóng chảy của PP là 165 ℃ và của PE là 135 ℃. Bằng cách quấn dây điện trở trên bề mặt pin lithium-ion để gia nhiệt, một lượng nhiệt lớn được tạo ra nhanh chóng, khiến màng ngăn biến dạng và co lại, và các cực dương và cực âm được kết nối, gây ra hiện tượng đoản mạch trong pin và cuối cùng khiến pin mất kiểm soát nhiệt.

(2) Sự đâm xuyên

Sự thoát nhiệt của pin lithium-ion là do kim thép đâm vào pin lithium-ion để mô phỏng các vật lạ bằng kim loại bên trong pin. Sau khi kim thép đâm vào pin, nó được kết nối với các điện cực dương và âm như một dây dẫn kim loại, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin. Vị trí đoản mạch sẽ tạo ra dòng điện lớn và nhanh chóng tạo ra rất nhiều nhiệt, cuối cùng sẽ dẫn đến sự thoát nhiệt của pin.

3. Phương pháp thử nghiệm sự thoát nhiệt của mô-đun pin điện

(1) Làm nóng bằng dây điện trở

Pin 18650

Pin 18650 đã được sử dụng trong thử nghiệm. Dây điện trở có điện trở bên trong nhất định được quấn trên bề mặt pin thông qua tính toán và một cảm biến nhiệt độ được bố trí bên ngoài vỏ pin, sau đó pin được bố trí ở giữa mô-đun pin. Pin liền kề với pin cũng được bố trí cùng một cảm biến nhiệt độ. Sau khi pin được lắp ráp thành các mô-đun song song, hãy sử dụng phương pháp sạc do nhà sản xuất chỉ định để sạc pin cho đến khi sạc đầy. Kết nối dây điện trở với nguồn điện bên ngoài và kết nối cảm biến nhiệt độ với máy dò tuần tra nhiệt độ; Ghi lại trạng thái ban đầu của mô-đun pin (điện áp, nhiệt độ, v.v.), tiếp tục làm nóng pin cho đến khi pin hỏng, ngắt kết nối nguồn điện bên ngoài và quan sát xem mô-đun có mất kiểm soát do nhiệt không.

Tế bào lăng trụ

Bài kiểm tra sử dụng pin vuông. Quấn cùng một dây điện trở trên bề mặt pin và bố trí các cảm biến nhiệt độ trên bề mặt pin cần làm nóng và các bề mặt pin liền kề. Sau khi pin tạo thành mô-đun, hãy sạc mô-đun đến khi sạc đầy theo phương pháp sạc do nhà sản xuất chỉ định. Phương pháp làm nóng và ghi lại nhiệt độ giống như các bài kiểm tra trên. Tiếp tục làm nóng pin cho đến khi pin hỏng. Ngắt kết nối nguồn điện bên ngoài và quan sát xem mô-đun pin vuông có mất kiểm soát không.

(2) Sự đâm thủng của đinh

Pin 118650

Pin 18650 đã được sử dụng trong thử nghiệm. Chọn vị trí của pin kim để sắp xếp các cảm biến nhiệt độ trên bề mặt của pin này và các pin liền kề. Sau khi các pin được lắp ráp thành các mô-đun song song, hãy sử dụng phương pháp sạc do nhà sản xuất chỉ định để sạc pin cho đến khi sạc đầy. Cố định mô-đun trên giá đỡ kim và kết nối thiết bị tuần tra nhiệt độ. Sử dụng kim thép có đường kính 1mm để đâm thủng pin với tốc độ 1mm/giây cho đến khi bắt lửa và quan sát xem mô-đun có mất kiểm soát do nhiệt không.

Tế bào lăng trụ

Thử nghiệm sử dụng pin vuông. Chọn vị trí pin đã đục lỗ kim, sắp xếp cảm biến nhiệt độ trên bề mặt pin liền kề và sạc đầy pin theo phương pháp sạc do nhà sản xuất chỉ định sau khi pin tạo thành mô-đun. Sử dụng kim thép có đường kính 1mm để đâm thủng pin với tốc độ 1mm/giây cho đến khi pin bắt lửa và quan sát xem mô-đun có mất kiểm soát do nhiệt không.

4.Kết luận

Bằng cách tiến hành thử nghiệm đốt nóng và châm điện trở trên pin 18650 và pin vuông, pin trong mô-đun đã bị đoản mạch và pin trong mô-đun pin đã được mô phỏng là không kiểm soát được nhiệt. Phương pháp xác minh thích hợp cho việc không kiểm soát được nhiệt đã được khám phá và rút ra các kết luận sau:

(1)Bằng cách so sánh các thử nghiệm đâm xuyên đinh và làm nóng dây cation, chúng tôi thấy rằng đối với cùng một loại pin, hiện tượng đoản mạch bên trong do dây điện trở làm nóng khiến nhiệt độ pin tăng cao hơn, chúng tôi tin rằng nguyên nhân là do nhiệt do dây điện trở làm nóng gây ra;

(2) Trong quá trình gia nhiệt của dây điện trở, nó sẽ mang lại rất nhiều nhiệt cho pin liền kề. Nếu khoảng cách giữa các mô-đun nhỏ, rất có thể pin được gia nhiệt và pin liền kề sẽ mất kiểm soát, điều này sẽ dẫn đến việc mô phỏng thử nghiệm không thành công. Do đó, chúng tôi tin rằng phương pháp đâm đinh phù hợp hơn để xác minh an toàn cho pin 18.650 và mô-đun pin vuông mất kiểm soát nhiệt;

(3) Khi van an toàn giảm áp trong ắc quy bị chập mạch, nó có thể làm giảm áp suất và nhiệt độ bên trong ắc quy, ngăn ngừa ắc quy bị mất kiểm soát nhiệt và phát huy tác dụng bảo vệ;

(4) Cháy do phun chất điện phân với tốc độ cao không phải là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tăng nhiệt độ và hỏng các bình ắc quy bên cạnh.