(3) Lạm dụng nhiệt

Lạm dụng nhiệt là mô phỏng việc sử dụng pin không đúng cách ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như đặt điện thoại di động trong ô tô tiếp xúc với ánh nắng mặt trời hoặc đặt điện thoại di động hoặc sản phẩm điện tử trong lò vi sóng. Nguồn nhiệt bên ngoài tác động trực tiếp lên pin lithium, gây ra các phản ứng hóa học bên trong phức tạp, chẳng hạn như phân hủy màng SEI, phản ứng oxy hóa khử giữa chất điện phân và vật liệu điện cực dương và âm, sau đó phát triển thành nhiệt độ thoát ra ngoài. Ngoài ra, màng ngăn nóng chảy và co lại ở nhiệt độ cao, dẫn đến đoản mạch cực dương và cực âm, rất có thể gây ra hỏa hoạn hoặc nổ. Trong tiêu chuẩn IEC62133: 2012, chỉ có những thay đổi nhỏ được thực hiện đối với thử nghiệm lạm dụng nhiệt, nghĩa là, lõi điện nhỏ được giữ ở 130 ℃ trong 10 phút và lõi điện lớn được giữ ở 130 ℃ trong 30 phút. Điều này là do mật độ năng lượng thể tích tăng lên và dung lượng cao của pin lithium ion đơn.

(4) nghiền nát

Nội dung thử nghiệm nghiền trong tiêu chuẩn IEC62133:2012: chọn phương pháp gây ra kết quả bất lợi nhất để áp dụng lực (13 ± 1) k N. Khi đạt đến áp suất tối đa hoặc điện áp đột ngột giảm 1/3 điện áp ban đầu hoặc xảy ra biến dạng 10%, áp suất sẽ được giải phóng. Đối với pin vuông, chỉ thực hiện thử nghiệm cạnh rộng, thay vì thử nghiệm cạnh hẹp. So với tiêu chuẩn năm 2002, chỉ có những thay đổi nhỏ, đó là cell pin sử dụng quy trình sạc mới. Thử nghiệm bóp mô phỏng hiện tượng đoản mạch bên trong cục bộ. Phương pháp sạc mới có thể làm giảm tỷ lệ đủ điều kiện của thử nghiệm an toàn cell pin lithium.

2.2 Thêm mục thử nghiệm

(1) Cưỡng bức ngắn mạch trong

Thử nghiệm ngắn mạch bên trong cưỡng bức cố gắng mô phỏng ngắn mạch bên trong do các hạt kim loại như vậy xuyên qua màng ngăn. Các thử nghiệm trong tiêu chuẩn IEC62133:2012 điều tra ngắn mạch bên trong từ hai vị trí: hoạt chất dương. Giữa các hoạt chất âm; Lá nhôm dương – vật liệu hoạt chất âm. Trong thử nghiệm, cell pin được sạc đầy đầu tiên được phân hủy trong môi trường có điểm sương thấp hơn – 25 ℃, sau đó các tấm niken nhỏ được đặt ở hai vị trí trên cùng tương ứng, cuộn lại vào pin và đặt trong túi polyethylene kín.

Pin được đặt ở nhiệt độ thử nghiệm trên (dưới) cộng (trừ) 5 ℃ trong (45 ± 15) phút, sau đó ở nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới tương ứng, sử dụng dụng cụ áp suất tiêu chuẩn để tạo áp suất với tốc độ 0,1 mm/giây vào vị trí tấm niken, Cho đến khi quan sát thấy ngắn mạch bên trong gây ra sụt áp 50 mV hoặc áp suất đáp ứng các yêu cầu (800 N đối với pin tròn và 400 N đối với pin vuông), áp suất sẽ được giải phóng sau 30 giây. Yêu cầu pin không được cháy hoặc nổ trong trường hợp ngắn mạch bên trong. Nội dung của thử nghiệm này giống với nội dung trong tiêu chuẩn JIS 8714.

Ngoài ra, tiêu chuẩn quy định rằng thử nghiệm này chỉ áp dụng cho Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sĩ. Mặc dù thử nghiệm ngắn mạch bên trong cưỡng bức có thể làm giảm đáng kể các yếu tố không an toàn do các khuyết tật trong quá trình sản xuất gây ra, nhưng vẫn còn nhiều tranh cãi về việc liệu nó có thể mô phỏng chính xác và hiệu quả tình trạng ngắn mạch bên trong của pin thông thường hay không. Đồng thời, thao tác nghiêm ngặt cần thiết để tháo rời và lắp ráp lại pin cũng là một thách thức.

(2) Kiểm tra vận chuyển

Tiêu chuẩn IEC62281 bao gồm: áp suất không khí thấp, chu kỳ nhiệt độ, rung, va đập, đoản mạch bên ngoài, va đập hoặc đùn. Tiêu chuẩn này hướng đến cell và cụm pin. Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEC62133:2012 chỉ yêu cầu kiểm tra cell pin, giảm yêu cầu an toàn của cụm pin. So với tiêu chuẩn IEC62133:2002, tiêu chuẩn năm 2012 đã xóa một số mục kiểm tra như áp suất không khí thấp, chu kỳ nhiệt độ, rung và va đập, nhưng bổ sung thêm kiểm tra vận chuyển.

Có thể thấy từ phân tích so sánh sự khác biệt rằng ngoại trừ T6, dành cho một mẫu duy nhất, T1-T5 dành cho cùng một mẫu để thử nghiệm lần lượt. Thử nghiệm trước có thể có tác động tiêu cực đến thử nghiệm tiếp theo, dẫn đến không vượt qua thử nghiệm. Ngoài ra, cũng có sự khác biệt trong phương pháp thử nghiệm của chúng. Điều kiện chu kỳ nhiệt độ và rung động nghiêm ngặt hơn về nhiệt độ, thời gian và gia tốc, dễ dẫn đến rò rỉ chất lỏng, gãy bên trong và các hiện tượng khác của pin lithium. Nói tóm lại, tiêu chuẩn IEC62133:2012 nâng cao đáng kể các yêu cầu thử nghiệm an toàn của pin lithium.

3.Kết luận

Việc biên soạn và sửa đổi các tiêu chuẩn về pin lithium ion đang diễn ra rất sôi động trên toàn thế giới. Thông qua phân tích so sánh giữa phiên bản năm 2002 và phiên bản năm 2012 của tiêu chuẩn quốc tế IEC62133 về pin lithium-ion cho thiết bị di động, có thể thấy phiên bản năm 2012 cụ thể và chi tiết hơn trong đánh giá an toàn của pin lithium-ion. Phiên bản này cũng quy định các phương pháp thử nghiệm an toàn của pin lithium ion được sử dụng trong thiết bị điện tử di động trong điều kiện sử dụng bình thường, điều kiện sử dụng sai có thể lường trước và điều kiện lỗi có thể lường trước, đảm bảo an toàn cho pin lithium trong quá trình lưu trữ, sử dụng, vận chuyển, v.v.

Pin lithium ion có ưu điểm là năng lượng riêng cao, điện áp cao, tuổi thọ chu kỳ dài và tự xả thấp. Nó đã trở thành một trong những nguồn cung cấp điện chính cho các sản phẩm điện tử di động như truyền thông di động, máy tính xách tay và các công cụ điện. Tuy nhiên, trong các điều kiện sử dụng sai (như nóng, quá tải, ngắn mạch, rung động, đùn, v.v.), pin lithium-ion có thể gây cháy, nổ và thậm chí là thương tích cá nhân. Do đó, vấn đề an toàn của pin lithium-ion đã trở thành nút thắt cổ chai trong quá trình phát triển của nó. Hiện nay, nhiều quốc gia hoặc tổ chức thử nghiệm đang nghiên cứu các công nghệ an toàn pin lithium mới và xây dựng các tiêu chuẩn khoa học và hoàn thiện hơn. Ví dụ, các tiêu chuẩn thử nghiệm áp dụng cho pin lithium cho thiết bị di động là: 1EC62133, UL1642, JIS C8714, IFEE1625, UN38.3, v.v. Bài báo này chủ yếu phân tích và so sánh sự khác biệt giữa phiên bản năm 2002 và phiên bản năm 2012 của tiêu chuẩn IEC62133 cho pin lithium-ion cho các thiết bị di động từ các khía cạnh về cách sắp xếp nội dung của các mục thử nghiệm, đối tượng thử nghiệm, thông số thử nghiệm, v.v.

1.Các mục thử nghiệm

IEC62133 : 2002 và 2012 đã thực hiện một số điều chỉnh và thay đổi đối với các hạng mục thử nghiệm của thử nghiệm pin lithium ion, cả hạng mục thử nghiệm và đối tượng thử nghiệm. Về các hạng mục thử nghiệm, phiên bản 2012 đã xóa các hạng mục thử nghiệm liên quan đến chức năng bảo vệ của pin đơn trong quá trình rung, sốc cơ học, chu kỳ nhiệt độ, áp suất không khí thấp và sạc tốc độ cao trong phiên bản 2002 và thêm hai hạng mục mới: thử nghiệm vận chuyển và thử nghiệm ngắn mạch bên trong cưỡng bức. Thử nghiệm vận chuyển trong IEC62281 bao gồm các hạng mục thử nghiệm áp suất không khí thấp, chu kỳ nhiệt độ, rung, va đập, ngắn mạch bên ngoài, va đập và đùn. Mặc dù tên thử nghiệm giống nhau trong dự án thử nghiệm, nhưng hoạt động thử nghiệm thực tế lại khá khác nhau. Ví dụ, các yêu cầu về nội dung thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài đối với giá trị điện trở đường dây, cùng một mẫu cần hoàn thành thử nghiệm liên tục trong quá trình thử nghiệm vận chuyển và các quy trình sạc ép khác nhau, sẽ được so sánh và phân tích chi tiết sau.

Về đối tượng thử nghiệm, các hạng mục thử nghiệm chu kỳ rung, sốc và nhiệt độ trong tiêu chuẩn IEC62,133:2002 được áp dụng cho thử nghiệm các cell điện và bộ pin; Tuy nhiên, thử nghiệm vận chuyển trong tiêu chuẩn năm 2012 chỉ tập trung vào thử nghiệm lõi điện, cũng nhấn mạnh vào việc đánh giá an toàn của lõi điện trong quá trình vận chuyển. Đối với thử nghiệm quá tải, tiêu chuẩn mới chỉ tập trung vào an toàn quá tải của bộ pin.

2. Phân tích sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn

2.1 So sánh các mục kiểm tra giống nhau

Ngoài quy trình sạc giống như quy trình sạc của phiên bản năm 2002, tức là sạc ở nhiệt độ môi trường (20 ± 5) ℃ theo phương pháp do nhà sản xuất công bố. Phiên bản năm 2012 cũng quy định các quy trình sạc mới cho việc lạm dụng có thể dự đoán được một cách hợp lý (ngắn mạch bên ngoài của cell pin và cụm pin), lạm dụng nhiệt, ép đùn và thử nghiệm ngắn mạch bên trong cưỡng bức, tức là, xử lý trước khi sạc (hiện đang được sử dụng cho pin lithium) được thực hiện ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên là 45 ℃ và nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới là 10 ℃ với điện áp sạc giới hạn trên là 4,25V/cell và dòng điện sạc tối đa do nhà sản xuất chỉ định.

Nếu điện áp sạc giới hạn trên mới và nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới được áp dụng, một số thử nghiệm nhất định sẽ được thực hiện để đáp ứng các tiêu chuẩn chấp nhận của các thử nghiệm có liên quan và đảm bảo an toàn cho pin. Nội dung thử nghiệm cụ thể: dựa trên tính ổn định cấu trúc của vật liệu dương, tính ổn định cấu trúc của chất điện phân và các đặc tính vật liệu khác, cần đảm bảo an toàn cho pin đã sạc ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên mới và thêm 5C vào nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên mới để áp dụng các điều kiện sạc trong 8.1.2 của IEC62133:2012 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm; Dựa trên khả năng hấp thụ ion lithium của vật liệu điện cực âm và độ linh động của ion lithium của chất điện phân (tương ứng với nhiệt độ), cần đảm bảo an toàn cho pin đã sạc ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới và thêm – 5 ℃ vào nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới để áp dụng các điều kiện sạc của 8.1.2 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm tương ứng.

(1) Quá tải

Kiểm tra quá tải là để mô phỏng các mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn của pin khi phát hiện điện áp bộ sạc sai, bộ sạc bị lỗi hoặc sử dụng bộ sạc không đúng. Nhìn chung, kiểm tra quá tải của cell pin lithium là một mục kiểm tra khó vượt qua và các yêu cầu về điện áp sạc 10V quá nghiêm ngặt. Trên thực tế, hầu hết các loại pin đều được trang bị bảng bảo vệ PCB và mạch bảo vệ giới hạn điện áp, có thể ngăn ngừa hiệu quả tình trạng quá tải của cell pin. Trong tiêu chuẩn năm 2012, kiểm tra quá tải của cell pin đã bị loại bỏ và kiểm tra quá tải cho bộ pin đã được thiết kế. Nghĩa là, bộ pin đã xả hoàn toàn sẽ được sạc bằng dòng điện không đổi 2,0l (IA = C Ah / 1h) và điện áp không được vượt quá điện áp sạc tối đa được khuyến nghị hoặc 5,0V / cell, đủ để duy trì dòng điện không đổi.

(2) Ngắn mạch bên ngoài

Thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài trong tiêu chuẩn IEC62133:2002 bao gồm thử nghiệm ngắn mạch ở hai nhiệt độ (20 ± 5) ℃ và (55 ± 5) ℃. Điện trở của mạch ngoài không được vượt quá 100 m Ω. Pin đơn hoặc bộ pin phải được thử nghiệm trong 24 giờ hoặc cho đến khi nhiệt độ vỏ giảm 20% so với nhiệt độ tối đa, tùy theo nhiệt độ nào ngắn hơn. Tuy nhiên, đã có những thay đổi lớn trong tiêu chuẩn năm 2012: đầu tiên, cell pin hoặc bộ pin áp dụng quy trình sạc mới; Thứ hai, giá trị điện trở của mạch ngoài phải cụ thể hơn, cụ thể là (80 ± 20) m Ω; Cuối cùng, tách nhiệt độ môi trường để thử nghiệm cell và pin, nghĩa là thử nghiệm cell được tiến hành ở (20 ± 5) ℃, trong khi thử nghiệm pin được tiến hành ở (55 ± 5) ℃. Có thể thấy rằng việc thay đổi chế độ sạc pin đã nâng cao mức độ kiểm tra an toàn pin lithium. Đồng thời, giới hạn giá trị điện trở đối với thiết bị kiểm tra cũng nghiêm ngặt hơn.

3. Nghiên cứu về phương pháp thử T6

Đối với thử nghiệm T6, do sự đa dạng của các loại pin lithium hiện có, cần phải lựa chọn các phương pháp thử nghiệm khác nhau cho các loại cell pin lithium khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu của nhóm làm việc về pin lithium thuộc Ủy ban chuyên gia giao thông của Liên hợp quốc, các phương pháp thử nghiệm như nghiền , đâm thủng bằng đinh , đâm thủng bằng cùn của NASA và đoản mạch bên trong cưỡng bức PSE của Nhật Bản đã được đưa vào thảo luận.

Những bài kiểm tra này sẽ được giới thiệu tóm tắt dưới đây:

1) Ép: thử nghiệm ép là một phương pháp thử nghiệm rất phổ biến đối với pin lithium, được sử dụng trong các thử nghiệm lạm dụng của nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Trong IEC 60,086-4 Pin chính – Phần 4: An toàn của pin lithium, thử nghiệm này được sử dụng như một phương pháp thay thế để thử nghiệm va đập mạnh đối với một số loại pin. Nhìn chung, pin bị ép ở hai mặt phẳng và được thả ra sau khi đạt đến một áp suất nhất định. Thử nghiệm này không thể gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong cho tất cả các loại cell pin lithium, nhưng đây là một trong những phương pháp trưởng thành và được sử dụng rộng rãi hơn.

2) Xuyên đinh: Đây cũng là phương pháp kiểm tra phổ biến đối với việc lạm dụng pin lithium. Nhưng bộ phận bị hỏng trong quá trình kiểm tra chỉ giới hạn ở điểm xuyên đinh. Bộ phận đoản mạch tương đối nhỏ và tỏa nhiệt tương đối chậm, do đó tác động gây ra đoản mạch bên trong bị hạn chế.

3) Đoản mạch bên trong cưỡng bức PSE của Nhật Bản: thử nghiệm này là thử nghiệm đoản mạch bên trong cưỡng bức đối với các cell pin do Nhật Bản đề xuất. Năm 2008, chính phủ Nhật Bản đã đưa ra chứng nhận PSE cho pin lithium-ion, yêu cầu tất cả pin lithium-ion xuất khẩu sang Nhật Bản sau ngày 20 tháng 11 năm 2008 và tuân thủ các quy định của Luật an toàn thiết bị điện của Nhật Bản phải được PSE chứng nhận. Thử nghiệm này là một mục thử nghiệm quan trọng đối với chứng nhận PSE cho pin lithium-ion.

Phương pháp thử nghiệm như sau: tháo rời cell pin lithium ion đã sạc đầy, đặt một tấm niken nhỏ giữa hoạt chất dương và hoạt chất âm, cũng như giữa lá nhôm dương và hoạt chất âm, quấn cell pin, đánh dấu vị trí tấm niken, đặt nó theo cách kín, tạo áp lực lên phần cell pin nơi đặt tấm niken với tốc độ 0,1 mm/giây trong điều kiện nhiệt độ nhất định và khi điện áp quan sát được lớn hơn 50 mV, Hoặc khi áp suất được áp dụng để đáp ứng các yêu cầu (pin hình trụ 800 N, pin vuông 400 N), dừng hạ thấp dụng cụ tạo áp suất trong 30 giây, sau đó loại bỏ áp suất. Nếu cell pin không bắt lửa trong quá trình thử nghiệm, các yêu cầu thử nghiệm sẽ được đáp ứng.

Thử nghiệm này có yêu cầu cao đối với cell pin, nhưng cũng có một số tranh chấp. Ví dụ, nếu môi trường điện hóa của pin bị hư hỏng trong quá trình tháo rời, không chắc chắn liệu các cell pin được đóng gói lại có thể mô phỏng hiệu quả hiện tượng đoản mạch bên trong của pin thông thường hay không; Ngoài ra, phải xem xét đến tính an toàn của quy trình thử nghiệm và các yêu cầu đối với nhân sự; Thử nghiệm này chỉ dành cho cell pin lithium ion, không dành cho cell pin lithium metal. Do đó, phạm vi ứng dụng của nó bị hạn chế.

4) Blunt: Thử nghiệm này là phương pháp mô phỏng ngắn mạch bên trong pin do UL (Underwriters Labo ratings Inc.) đề xuất, giúp giảm nguy cơ tháo rời pin bằng phương pháp ngắn mạch bên trong cưỡng bức của Nhật Bản. Phương pháp này là sử dụng kim cùn bằng thép để chích vào pin với tốc độ chậm 0,1 mm/giây tại tâm pin và quan sát sự thay đổi điện áp mạch hở và nhiệt độ của pin cho đến khi điện áp giảm xuống 100 mV. Ưu điểm của thử nghiệm này là không cần tháo rời pin và không làm hỏng môi trường điện hóa bên trong pin, do đó có khả năng vận hành mạnh. Tuy nhiên, do kim cùn xảy ra ở vỏ pin nên không thể kiểm soát chính xác vị trí ngắn mạch bên trong pin. Liệu thử nghiệm này có thể mô phỏng đầy đủ tình trạng ngắn mạch bên trong pin hay không vẫn đang được nghiên cứu.

4. Sửa đổi bài thử UN38.3 T6

Dựa trên thảo luận của các chuyên gia trong nhóm làm việc về pin lithium, bao gồm nghiên cứu về các phương pháp thử nghiệm được mô tả ở trên, Ủy ban chuyên gia về giao thông vận tải của Liên hợp quốc

Ủy ban đã đạt được nghị quyết sửa đổi các bài thử T6 của UN38.3. Nội dung chính như sau:

1) Thêm thử nghiệm nghiền, áp dụng cho pin hình lăng trụ, pin túi, pin cúc áo và một số cell pin hình trụ. Đối với các cell pin hình trụ vượt quá phạm vi nghiền áp dụng, phương pháp thử nghiệm va đập mạnh T6 ban đầu vẫn được sử dụng.

Phương pháp nghiền: tốc độ nghiền của điểm tiếp xúc đầu tiên là 1,5cm/giây. Đùn cho đến khi một trong ba điều kiện sau được đáp ứng:

• (1) Lực nghiền đạt tới (13 ± 0,78) kN;
• (2) Độ sụt áp phải ít nhất là 100 mV;
• (3) Độ biến dạng của tế bào phải đạt ít nhất 50%.

Thời gian thử nghiệm và quan sát là 6 giờ. Nhiệt độ bên ngoài của mẫu thử nghiệm không được vượt quá 170 ℃ trong thời gian thử nghiệm và quan sát, không được tháo rời hoặc xảy ra hỏa hoạn.

2) Thử nghiệm va đập trọng lượng ban đầu cũng đã được sửa đổi, bao gồm: Phạm vi dung sai của đường kính thanh thử và trọng lượng của búa đã được tăng lên; Chiều dài của thanh thử bị hạn chế; Vật liệu của thanh bị hạn chế; Nhấn mạnh thông qua mô tả văn bản rằng búa phải rơi vuông góc với mẫu và ma sát và lực kéo phải được giảm thiểu khi rơi.

Nội dung chính sau khi chỉnh sửa như sau:

Đặt mẫu trên một bề mặt nằm ngang nhẵn, đặt một thanh thép không gỉ loại 316 có đường kính (15,8 ± 0,1) mm và chiều dài ít nhất 6 cm hoặc kích thước dài nhất của cell pin (kích thước lớn hơn) vào tâm mẫu và thả một chiếc búa nặng có trọng lượng (9,1 ± 0,1) kg từ độ cao (61 ± 2,5) cm đến giao điểm của mẫu và thanh. Khi thả, hãy sử dụng một thanh trượt thẳng đứng gần như không ma sát và giảm thiểu lực kéo trên búa. Thanh trượt được sử dụng để dẫn hướng búa nặng phải được giữ vuông góc 90 ° với bề mặt hỗ trợ nằm ngang.

3) Mục đích thử nghiệm được sửa đổi để mô phỏng sự lạm dụng cơ học do va chạm và nghiền nát của các vật nặng có thể gây ra đoản mạch bên trong. Bản sửa đổi này bổ sung phương pháp lựa chọn cho T6, tức là có thể sử dụng các phương pháp thử nghiệm khác nhau cho các loại pin khác nhau, đây là bước đột phá trong tiêu chuẩn này, có thể tăng khả năng áp dụng của tiêu chuẩn và cũng đặt nền tảng tốt cho việc tinh chỉnh và củng cố tiêu chuẩn này trong tương lai.

5. Kết luận

Mặc dù phương pháp thử nghiệm UN38.3 T6 sẽ được sửa đổi, nhưng cách mô phỏng thử nghiệm ngắn mạch bên trong của cell pin lithium vẫn là chủ đề cần nghiên cứu. Với sự phát triển liên tục của chính công nghệ pin lithium và sự cải thiện liên tục của các yêu cầu về an toàn, việc phát triển dự án thử nghiệm này càng trở nên quan trọng hơn. Chỉ bằng cách liên tục nghiên cứu và khám phá các đặc điểm điện hóa và đặc điểm môi trường sử dụng của pin lithium ion, chúng ta mới có thể xây dựng các hạng mục thử nghiệm pin lithium và điều kiện thử nghiệm khoa học hơn, có mục tiêu hơn và khả thi hơn. Do đó, việc đánh giá an toàn pin lithium có thể được tăng cường hơn nữa và đảm bảo an toàn vận chuyển có thể được nâng cao.

1.An toàn vận chuyển pin Lithium

Là một loại năng lượng sạch mới, pin lithium đã và đang hỗ trợ các sản phẩm thiết yếu và có thể tiếp cận được với mọi người bất cứ lúc nào. Do đó, sự an toàn của nó liên quan đến tất cả người tiêu dùng, nhà sản xuất và các đơn vị vận tải, điều này đã gây ra mối quan tâm từ tất cả các bên.

Pin lithium chủ yếu được chia thành pin lithium kim loại và pin lithium ion. Cực âm của pin lithium kim loại là kim loại lithium, và cực dương và cực âm của pin lithium ion là hợp chất được nhúng với ion lithium. Kể từ khi Tập đoàn Sony của Nhật Bản phát triển thành công pin lithium-ion vào năm 1992 và thương mại hóa chúng, chúng đã được sử dụng rộng rãi làm nguồn điện cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh, máy ảnh, v.v. do những ưu điểm độc đáo của chúng như điện áp làm việc cao, mật độ dòng năng lượng cao, tuổi thọ chu kỳ dài, tự xả thấp và không gây ô nhiễm. Tương tự như vậy, nó cũng dần dần được phát triển thành pin năng lượng chính thống trong hàng không vũ trụ, dẫn đường, vệ tinh nhân tạo, dụng cụ y tế nhỏ, thiết bị liên lạc giao thông và quân sự.

Tuy nhiên, kể từ khi pin lithium ra đời, việc sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng pin này đã đi kèm với nhiều tai nạn an toàn khác nhau, đặc biệt là trong quá trình vận chuyển, tai nạn xảy ra thường xuyên. Cho đến nay, đã xảy ra nhiều vụ cháy máy bay do pin lithium gây ra, gây ra thiệt hại kinh tế đáng kể và nguy cơ an toàn tiềm ẩn. Do đó, an toàn vận chuyển pin lithium đã được các chính phủ và ngành vận tải trên toàn thế giới ngày càng chú trọng. Các sở giao thông vận tải ở Trung Quốc và thậm chí trên toàn thế giới đã tăng cường mạnh mẽ việc giám sát vận chuyển pin lithium.

Tại sao pin lithium lại nguy hiểm như vậy? Một trong những lý do là kim loại lithium là một chất rất hoạt động với các đặc tính hóa học. Khi tiếp xúc với không khí, nó sẽ phản ứng với oxy trong không khí theo cách rất mạnh và cháy. Pin kim loại lithium, sử dụng kim loại lithium làm vật liệu cực dương, về bản chất là nguy hiểm.

Đối với pin lithium-ion, nếu chất lượng sản phẩm không đạt tiêu chuẩn hoặc sử dụng không đúng cách, có thể xảy ra cháy hoặc thậm chí nổ. Ví dụ, khi xảy ra đoản mạch bên ngoài pin lithium và các thành phần điện tử không cắt được mạch, nhiệt độ cao sẽ được tạo ra bên trong cell pin, điều này sẽ khiến một phần chất điện phân bốc hơi và làm giãn nở vỏ pin. Nếu chất lượng vật liệu pin không đạt tiêu chuẩn, nhiệt độ pin sẽ tiếp tục tăng, điều này sẽ làm bốc hơi nhiều chất điện phân hơn và cuối cùng làm vỡ vỏ pin. Một số thậm chí còn làm tăng nhiệt độ pin đến mức vật liệu cháy và phát nổ.

Ngoài ra, do các lý do cơ học bên ngoài hoặc quá tải và các yếu tố khác, các dendrite kim loại lithium có thể hình thành bên trong cell pin, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong, điều này sẽ làm tăng nhiệt độ bên trong của pin, dẫn đến sự bốc hơi của chất điện phân, cũng dẫn đến cháy hoặc thậm chí nổ. Có thể thấy rằng đoản mạch bên ngoài, đoản mạch bên trong, quá tải, v.v. là những lý do quan trọng gây ra sự nguy hiểm của pin lithium và chúng ta nên chú ý nhiều hơn đến chúng trong quá trình sản xuất, lưu trữ, phát hiện, vận chuyển và sử dụng.

2.Thử nghiệm an toàn giao thông và các vấn đề hiện tại 

Theo Quy định mẫu của Liên hợp quốc về vận chuyển hàng hóa nguy hiểm, pin lithium cần được thử nghiệm theo mục 3 của Chương 38 trong Sổ tay thử nghiệm và tiêu chuẩn của Liên hợp quốc về vận chuyển hàng hóa nguy hiểm (sau đây gọi là UN38.3) trước khi vận chuyển.

Bài kiểm tra bao gồm tổng cộng 8 hạng mục. Chỉ có pin lithium đạt yêu cầu kiểm tra mới có thể được vận chuyển theo các điều kiện tương ứng. Do đó, việc tăng cường tính an toàn của pin và đạt yêu cầu kiểm tra UN38.3 để đáp ứng yêu cầu vận chuyển cũng đã trở thành ưu tiên hàng đầu của tất cả các nhà sản xuất pin lithium.

Tiêu chuẩn thử nghiệm này đối với pin lithium không thay đổi đáng kể trong một thời gian dài trong quá khứ, nhưng trong giai đoạn này, công nghệ và ứng dụng của pin lithium đã có sự phát triển và tiến bộ nhanh chóng. Các loại pin lithium cũng đã được cập nhật rất nhiều. Hiện nay, có rất nhiều loại pin lithium, từ pin dạng nút nặng vài gram đến pin lớn nặng hàng chục kg hoặc thậm chí hơn. Các tiêu chuẩn hiện tại không còn có thể áp dụng đầy đủ cho tất cả các loại pin lithium nữa.

Ngoài ra, do một số phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn không đủ chi tiết và chính xác nên kết quả thử nghiệm của các phòng thí nghiệm khác nhau có thể không nhất quán, có thể dẫn đến nhiều mâu thuẫn hoặc tranh chấp khác nhau. Do đó, Ủy ban chuyên gia giao thông của Liên hợp quốc đã thành lập nhóm công tác về pin lithium để đánh giá và sửa đổi tiêu chuẩn UN38.3.

Bài báo này sẽ nghiên cứu và thảo luận về thử nghiệm thứ sáu (sau đây gọi tắt là T6) trong tiêu chuẩn UN38.3. Thử nghiệm này đã gây ra nhiều tranh cãi và mục đích của nó là mô phỏng quá trình va chạm có thể xảy ra của các vật nặng trong quá trình vận chuyển. Ngành công nghiệp cũng tin rằng đây nên là một phương pháp thử nghiệm để mô phỏng ngắn mạch bên trong.

Đối tượng thử nghiệm là cell pin lithium. Phương pháp thử nghiệm là đặt một thanh có đường kính 15,8 mm theo chiều ngang trên cell pin lithium và sử dụng búa 9,1 kg để thả mẫu từ độ cao (61 ± 2,5) cm để hoàn thành tác động của trọng lượng. Nếu nhiệt độ bên trong và bên ngoài của mẫu trong thời gian thử nghiệm và quan sát không vượt quá 170 ℃ và không có hiện tượng phân rã và đánh lửa, thì thử nghiệm được thông qua. Theo phương pháp thử nghiệm này, lực tác động do cell pin lớn hoặc cell pin nhỏ chịu là như nhau.

2.1 Chuẩn bị thử nghiệm

Pin hình trụ và hình vuông thường được sử dụng làm cell nguồn. Đối tượng nghiên cứu của bài báo này là một cell vuông, chủ yếu bao gồm hệ thống vật liệu hóa học cực dương niken coban mangan và cực âm graphite. Kích thước pin đơn: XYZ = W x L x H = 27 mm x 148 mm x 94 mm, điện áp định mức: 3,7 V, dung lượng định mức: 37 Ah. Pin đơn được sắp xếp trong mô-đun theo dạng chồng chất theo hướng chiều rộng (hướng X) của pin đơn. Trong bài báo này, định nghĩa về hướng nghiền mô-đun phù hợp với định nghĩa của monome và monome pin và mô-đun được thể hiện trong Hình 3. Dữ liệu dịch chuyển, tải, điện áp, nhiệt độ và dữ liệu video của quá trình nghiền được thu thập bằng cách đùn cell và mô-đun bằng đầu dò và kết quả thử nghiệm đã được phân tích.

2.2 Kết quả thử nghiệm nghiền tế bào 

Tiến hành thử nghiệm điều kiện làm việc chịu nén XYZ trên lõi điện theo ba hướng này và thu được kết quả so sánh độ cứng của ba hướng như thể hiện trong Hình 4.

Độ cứng theo hướng X của lõi điện là lớn nhất, có thể chịu được lực nghiền lớn hơn trong cùng một biến dạng. Hướng Y và Z tương đối yếu. Shenxin thường được sắp xếp theo chuỗi theo hướng X trong mô-đun. Khi xe bị va chạm bên hông, lõi điện bị ép và biến dạng chủ yếu theo hướng X và Y.

Để tìm điểm tới hạn của hư hỏng vỏ và nứt dưới điều kiện nghiền của lõi điện, thử nghiệm nghiền được thực hiện theo hướng Y của lõi điện. Mỗi nhóm thử nghiệm được đùn ba lần và tốc độ nghiền là 0,2 mm/giây.

Ở nhóm thử nghiệm đầu tiên, monome được nạp liên tục cho đến khi pin mất khả năng kiểm soát nhiệt và trạng thái sạc (SOC) của pin là 100%;

Nhóm thử nghiệm thứ hai là tìm ra điểm tới hạn của nứt vỏ pin. Để thuận tiện cho việc quan sát, pin được xả và nạp 3 mm mỗi lần theo từng phần cùng một lúc, và mỗi phần được giữ trong 200 giây;

Nhóm thử nghiệm thứ ba liên tục được tải đến giá trị tới hạn của nứt vỏ và sau đó để nguyên để phân tích xem có nguy cơ mất kiểm soát nhiệt hay không. Nhóm lõi thử nghiệm đầu tiên được tải liên tục cho đến khi xảy ra hỏng do nghiền, như thể hiện trong Hình 5.

Có thể thấy từ phân tích so sánh các thử nghiệm rằng có sự không chắc chắn trong chế độ hỏng hóc của quá trình nghiền lõi điện.

Trong thử nghiệm nghiền nát, chế độ hỏng của lõi điện là vỏ bị đùn ra và hư hỏng, không xảy ra cháy nổ; Vỏ bị đùn ra mà không hư hỏng, nhưng xảy ra khói hoặc cháy nổ; Vỏ bị nghiền nát và hư hỏng, gây ra cháy nổ.

Hình 6 và 7 cho thấy biến dạng ép của vỏ lõi điện sau các thử nghiệm nhóm thứ hai và thứ ba. Có thể thấy từ Hình 6 rằng mặt âm của lõi điện bị nứt còn mặt dương thì không;

Khi độ dịch chuyển ép đầu tiên là 12 mm, mặt âm bị nứt, nhưng mặt dương thì không. Thông qua phân tích nhóm thử nghiệm thứ hai, sơ bộ xác định được rằng vỏ bị hư hỏng và nứt dưới điều kiện ép của lõi điện

Giá trị tới hạn là 12 mm. Có thể thấy từ Hình 7 rằng khi độ dịch chuyển nghiền đo được là 12 mm, ba lõi thử nghiệm không bị nứt vỏ và không có cháy nổ. Sau khi thử nghiệm, các lõi được đo hoạt động bình thường sau khi đứng yên trong 24 giờ.

Nhóm thử nghiệm này đã xác minh rằng giá trị tới hạn của sự phá hủy do đè ép của loại lõi điện này có thể xác định là 12 mm. Thông qua phân tích của ba nhóm thử nghiệm, người ta thấy rằng điểm tới hạn của chế độ phá hủy do hư hỏng và nứt của vỏ lõi điện là 12 mm, thấp hơn giá trị giới hạn, do đó nguy cơ nứt vỏ là nhỏ, và sẽ không xảy ra cháy nổ;

Nếu vượt quá giá trị giới hạn, có một sự không chắc chắn nhất định về việc vỏ lõi bị hư hỏng hay nứt, vẫn có rủi ro an toàn cao; Sự không chắc chắn về sự cố lõi điện do cháy nổ gây ra là lớn và các chế độ hỏng hóc không nhất quán. Do đó, có thể xác định rằng dung sai hư hỏng của cell là 12 mm và điều kiện làm việc nghiền tương đối ổn định trong thử nghiệm. Tuy nhiên, các điều kiện mà pin được đùn trong ứng dụng thực tế lại khác nhau. Xem xét rằng một biên độ an toàn nhất định được bảo lưu, dung sai hư hỏng của loại cell này được xác định là 10 mm.

2.3 Kết quả thử nghiệm nén mô-đun

Mô-đun sẽ phải chịu thử nghiệm nghiền theo hướng XY. Tốc độ tải là 0,2 mm/giây. Trong thử nghiệm, mô-đun ở trạng thái công suất đầy đủ, tức là SOC của mô-đun là 100%. Hướng X và Y tương ứng với hiệu suất nghiền của va chạm bên hông xe. Lặp lại thử nghiệm nghiền ba lần theo hai hướng nghiền để đảm bảo hiệu quả của thử nghiệm.

Hình 8 cho thấy trạng thái nghiền của mô-đun theo các hướng khác nhau.

Hình 9 cho thấy quá trình nghiền theo hướng X và Y của mô-đun. Để so sánh, quá trình thoát nhiệt do nghiền theo các hướng khác nhau của mô-đun là: mô-đun pin biến dạng ở giai đoạn đầu và khói hoặc tia lửa xuất hiện khi hư hỏng bên trong pin tăng lên theo tải nghiền, tiếp tục gây ra cháy nổ.

Hình 10 cho thấy đường cong thay đổi nhiệt độ và điện áp của mô-đun theo hướng X và Y trong quá trình nghiền. Lấy mô-đun M2 (nghiền X) và M4 (nghiền Y) làm ví dụ để phân tích.

Trong Hình 10 hướng x, trong khoảng thời gian 0~400 giây, mô-đun bị biến dạng dần do bị đè bẹp, nhiệt độ và điện áp của mô-đun vẫn ổn định; Khi tải đạt 400 giây, điện áp bắt đầu giảm xuống 0 V và nhiệt độ tăng từ 26℃ lên 156℃, lúc này, mô-đun pin bắt đầu bốc khói; Khi lực đè bẹp tiếp tục tăng, nhiệt độ tăng lên 500℃, sau đó mô-đun pin sẽ bốc cháy và phát nổ.

Trong Hình 10 hướng y, điện áp và nhiệt độ của mô-đun tương đối ổn định trong phạm vi 0~300 giây. Khi nhiệt độ tăng từ 300 giây đến 550 ℃, mô-đun sẽ cháy và nổ, điện áp giảm xuống 0V. Thông qua việc so sánh và phân tích các đường cong nhiệt độ và điện áp, người ta cũng thấy rằng hiện tượng mất kiểm soát nhiệt có nhiều khả năng xảy ra trong quá trình đè bẹp theo hướng Y của mô-đun.

Theo đường cong tải trọng dịch chuyển, đường cong điện áp và nhiệt độ thu thập được từ thử nghiệm, khoảng cách nghiền khi mô-đun pin hỏng theo hướng XY 2 được phân tích. Trong quá trình nghiền theo hướng X, độ dịch chuyển nghiền lần lượt là 40 mm, 42 mm và 30 mm khi các mô-đun số M1, M2 và M3 hỏng; Đùn theo hướng Y. Khi các mô-đun M4, M5 và M6 hỏng, độ dịch chuyển nghiền lần lượt là 21 mm, 15 mm và 24 mm. Qua so sánh, có thể thấy rằng so với hướng X, hướng Y của mô-đun dễ bị hỏng hơn sau khi đùn.