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.