1. Phân loại nguyên nhân gây ra tai nạn do nhiệt độ tăng cao

Có nhiều lý do kích hoạt cho sự cố mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion. Theo đặc điểm của sự kích hoạt, nó có thể được chia thành ba loại: kích hoạt cơ học, kích hoạt điện và kích hoạt nhiệt. Ba loại hình thức kích hoạt có mối quan hệ nội tại nhất định. Nói chung, kích hoạt cơ học sẽ gây ra đoản mạch và kích hoạt điện, trong khi sự sinh nhiệt của kích hoạt điện sẽ gây ra kích hoạt nhiệt và sự mất kiểm soát nhiệt do kích hoạt nhiệt là cốt lõi của sự cố kích hoạt. Phân tích cơ chế của các hình thức kích hoạt khác không thể tách rời khỏi nghiên cứu về cơ chế kích hoạt nhiệt.

Cò cơ học bao gồm đè bẹp , đâm đinh , rơi , v.v., chủ yếu được đặc trưng bởi sự biến dạng của pin dưới tác động của lực; Cò điện bao gồm ngắn mạch bên ngoài, ngắn mạch bên trong, quá tải, xả quá mức, v.v. Đặc điểm chính là có dòng điện chạy qua trong quá trình kích hoạt; Cò nhiệt bao gồm gia nhiệt bất thường, gia nhiệt ngọn lửa, v.v. Đặc điểm chính là pin liên tục hấp thụ nhiệt trong môi trường và nhiệt độ tăng lên. Tiêu chuẩn kiểm tra an toàn chỉ định các yếu tố kích hoạt tai nạn chi tiết thu được từ phân tích tai nạn. Xác suất kích hoạt tai nạn của pin đã vượt qua tiêu chuẩn kiểm tra an toàn cũng đã giảm đáng kể. Nguyên nhân gây ra tai nạn có thể khác với nguyên nhân được chỉ định trong tiêu chuẩn kiểm tra an toàn. Điều này giải thích tại sao hệ thống pin điện đã vượt qua tiêu chuẩn kiểm tra an toàn vẫn có thể xảy ra tai nạn.

2.Mở rộng sự thoát nhiệt trong hệ thống pin

2.1 Nguy cơ giãn nở nhiệt không kiểm soát

Sau khi hiện tượng thoát nhiệt được kích hoạt, nhiệt giải phóng sau khi hiện tượng thoát nhiệt đơn phân cục bộ lan tỏa ra xung quanh, có thể làm nóng các ắc quy xung quanh và gây ra hiện tượng thoát nhiệt của các ắc quy xung quanh, còn được gọi là hiện tượng “giãn nở” của hiện tượng thoát nhiệt trong cụm ắc quy. Năng lượng giải phóng bởi hiện tượng thoát nhiệt của một ắc quy đơn là có hạn, nhưng nếu phản ứng dây chuyền gây ra hiện tượng thoát nhiệt, năng lượng của toàn bộ cụm ắc quy sẽ được giải phóng thông qua hiện tượng thoát nhiệt, gây ra tác hại lớn. Đối với hệ thống ắc quy công suất của xe điện thuần túy 60kW • h, nếu tất cả các đơn phân giải phóng toàn bộ năng lượng do sự giãn nở nhiệt không kiểm soát, thì tương đương với việc giải phóng năng lượng tương đương 90kg TNT. Nói cách khác, một khi hiện tượng thoát nhiệt xảy ra, nó sẽ gây ra tác hại lớn. Do đó, mọi người cần ngăn ngừa hiện tượng thoát nhiệt giãn nở và hạn chế hiện tượng thoát nhiệt ở một số đơn phân.

2.2 Cơ chế giãn nở vì nhiệt

Theo quan điểm bảo toàn năng lượng, khi công suất nhiệt do sự giãn nở nhiệt của pin xung quanh của monome nhiệt lớn hơn công suất tản nhiệt của chính nó, nhiệt độ của pin xung quanh được làm nóng sẽ tăng lên, và sau đó sẽ xảy ra hiện tượng kích hoạt nhiệt độ. Trong mô-đun pin, có ba đường dẫn chính có thể xảy ra để truyền nhiệt trong quá trình giãn nở nhiệt độ:

1) Dẫn nhiệt giữa các vỏ pin liền kề;

2) Dẫn nhiệt qua cực của pin;

3) Cháy cục pin xung quanh do cháy một cục pin duy nhất.

Hai con đường dẫn nhiệt vỏ và dẫn nhiệt cực chủ yếu tác động giữa các cell liền kề, dễ phân tích và kiểm soát. Đối với các cell vuông, khi tiếp xúc giữa vỏ và vỏ tốt, nhiệt dẫn qua vỏ lớn hơn nhiều so với cực. Đối với các mô-đun pin hình trụ, sự truyền nhiệt giữa monome và monome cũng có thể cần xem xét đến ảnh hưởng của bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, nướng lửa có thể tác động lên các cell liền kề cũng như các phụ kiện hệ thống pin xung quanh, do đó sẽ phức tạp và khó đánh giá tác hại mà nó gây ra cho hệ thống pin.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt lượng tỏa ra khi pin cháy cao hơn nhiệt lượng tỏa ra khi pin không cháy. Sau khi xảy ra hỏa hoạn, ngọn lửa thường bám xung quanh thân van pin nhiệt độ cao. Đồng thời, do nhiệt độ của ngọn lửa bên ngoài là cao nhất nên pin và các phụ kiện theo hướng mở của thân van được làm nóng nhiều nhất. Ngoài ra, theo quan điểm thiết kế, bản thân hệ thống pin có độ kín khí nhất định và khí nhiệt độ cao sinh ra do nhiệt độ cao không thể khuếch tán kịp thời và cũng có thể làm nóng pin xung quanh.

2.3 Mâu thuẫn giữa phòng ngừa và thiết kế

Theo cơ chế giãn nở vì nhiệt, chúng ta có thể thiết kế một phương án cụ thể để ngăn ngừa sự giãn nở vì nhiệt.

Trước hết, cần phải ngăn ngừa sự xuất hiện của ngọn lửa. Hướng phát sinh ngọn lửa có thể được hướng dẫn bởi thiết kế hướng phun của thân van; Chất chữa cháy cũng có thể được thêm vào để dập tắt đám cháy. Tất nhiên, hệ thống pin điện đã vượt qua tiêu chuẩn kiểm tra an toàn. Xác suất xảy ra ngọn lửa đã được giảm xuống; Đồng thời, việc bịt kín tốt của hệ thống pin điện khiến hàm lượng oxy bên trong hệ thống pin không đủ, điều này không có lợi cho sự hình thành và phát triển của ngọn lửa.

Thứ hai, cần xem xét tác động của sự khuếch tán khí nhiệt độ cao lên các thành phần khác của hệ thống pin. Một số pin có hệ thống có thể xả khí nhiệt độ cao kịp thời.

Đồng thời, đường dẫn nhiệt giữa các cell phải được chặn đúng cách, chẳng hạn như lớp cách nhiệt giữa các cell đơn. Cần lưu ý rằng trong quản lý nhiệt, các khe hở không khí có thể được giữ lại giữa các vỏ pin để làm mát bằng không khí và tách các pin liền kề. Tuy nhiên, trong quá trình giãn nở do nhiệt, pin giãn nở do nhiệt sẽ giãn nở và khe hở không khí sẽ biến mất do pin giãn nở. Lúc này, quá trình truyền nhiệt giữa pin và pin vẫn diễn ra nhanh. Không khả thi để ngăn chặn sự giãn nở không kiểm soát của nhiệt chỉ bằng cách giữ lại khe hở không khí.

Ngoài ra, khả năng tản nhiệt bên trong hệ thống pin có thể được tăng cường sau khi hiện tượng thoát nhiệt monome được kích hoạt; Xả pin xung quanh pin bị lỗi; Lấp đầy vật liệu chuyển pha giữa các pin để hấp thụ nhiệt và các phương pháp khác để ức chế sự giãn nở của hiện tượng thoát nhiệt.

Tuy nhiên, có một số mâu thuẫn nhất định giữa thiết kế ngăn ngừa sự giãn nở mất kiểm soát và thiết kế các chức năng khác của hệ thống pin. Phương pháp chặn đường truyền nhiệt có thể dẫn đến việc tăng cường sự không đồng đều của nhiệt độ bên trong cụm pin, điều này trái ngược với mục tiêu thiết kế về tính nhất quán nhiệt độ trong thiết kế quản lý nhiệt của cụm pin. Ngoài ra, việc bổ sung các biện pháp chữa cháy, xả, cách nhiệt và các biện pháp khác sẽ làm giảm năng lượng riêng của hệ thống pin và làm tăng chi phí thiết kế của hệ thống pin. Làm thế nào để cấu hình hợp lý các biện pháp an ninh để ngăn ngừa sự xảy ra của sự giãn nở mất kiểm soát nhiệt, đồng thời tính đến các chỉ số hiệu suất và chi phí thiết kế của hệ thống pin, là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế an ninh hệ thống pin.

3.Kết luận

Pin lithium-ion hiện có đã vượt qua bài kiểm tra tiêu chuẩn an toàn và cũng có các biện pháp an toàn tương ứng trong hệ thống pin. Tính an toàn của hệ thống pin điện đã được cải thiện rất nhiều. Tuy nhiên, mặc dù các mối nguy hiểm do các vụ tai nạn an toàn hiện có gây ra là có hạn, nhưng với sự cải thiện về năng lượng riêng của pin điện lithium-ion, các mối nguy hiểm do một vụ tai nạn an toàn gây ra sẽ tăng lên; Việc phổ biến xe điện trên diện rộng cũng sẽ làm tăng tần suất xảy ra các vụ tai nạn an toàn. Các nhà sản xuất có liên quan phải chú ý đến tính an toàn của hệ thống pin điện lithium-ion và không được giảm chi phí sản xuất bằng cách hy sinh tính an toàn của hệ thống pin. Bởi vì tai nạn an toàn xảy ra hàng ngày, gây nguy hiểm đến tính mạng và an toàn tài sản của người tiêu dùng, và tất nhiên cũng có nghĩa là mất uy tín của sản phẩm của doanh nghiệp.

1. Giới thiệu

Là nguồn điện được ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị di động, pin lithium-ion có những ưu điểm như mật độ năng lượng cao, không có hiệu ứng nhớ, tuổi thọ dài, thân thiện với môi trường, v.v. Sau khi pin lithium-ion nhỏ chiếm ưu thế trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, pin lithium-ion lớn được phát triển, tiến vào ứng dụng ô tô và lưới điện.

Việc ứng dụng pin lithium-ion gây ra các vụ cháy nổ, nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học pin đã nghiên cứu và phân tích lý do pin hỏng trong nhiều điều kiện khác nhau theo quan điểm hóa học. Theo các nghiên cứu như vậy, các thành phần pin liên tục được cải tiến: nhiều vật liệu anot và catot khác nhau được phát triển để cải thiện độ ổn định hóa học; một bộ tách nhiều lớp được thiết kế để hạn chế sự mất kiểm soát nhiệt; các chất phụ gia thích hợp được đưa vào chất điện phân để ngăn chặn các phản ứng hóa học hoặc để xả pin nhằm giảm thiểu rủi ro quá tải mà không ảnh hưởng đến quá trình sạc bình thường, v.v. Các kỹ thuật sản xuất và lắp ráp cũng được cải tiến để giảm khả năng xảy ra lỗi. Tuy nhiên, các thành phần chi tiết của pin và chất lượng lắp ráp pin, ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của pin, vẫn chưa rõ ràng đối với các kỹ sư điện vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng pin. Do đó, các nguyên lý của pin lithium-ion cần được trình bày, sau đó có thể có được góc nhìn cơ bản về các rủi ro do pin lithium-ion gây ra và lý do của các rủi ro đó. Góc nhìn này sẽ cung cấp cho các kỹ sư vận hành BESS những cách thích hợp để đảm bảo an toàn được quản lý tốt.

2. Thử nghiệm tình trạng lạm dụng của Pin Lithium ion

Trên thực tế, sự cố của cell pin lithiumion là một quá trình toàn diện, có thể bắt đầu bằng bất kỳ phản ứng tỏa nhiệt nào được đề cập ở trên trong khi kết thúc bằng các mối nguy hiểm khác nhau như giãn nở thân pin, rò rỉ chất điện phân, thoát khí, cháy, nổ, v.v. Để ước tính mức độ an toàn của pin lithium ion thương mại, các hạng mục kiểm tra lạm dụng về mặt cơ học, điện và nhiệt được thiết kế theo các tiêu chuẩn từ UL và IEC. Đối với pin lithiumion BESS được sử dụng trong ứng dụng lưới điện, các loại pin lớn có thiết kế dạng túi hoặc dạng lăng trụ được ưu tiên. Trong bài báo này, các cell pin lithium-ion của hai loại đó đã được thử nghiệm. Tất cả các cell đều được sạc đầy trước khi thử nghiệm lạm dụng theo các tiêu chuẩn.

2.1 Lạm dụng nhiệt

Các cell khách quan được nung nóng trong buồng nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường của buồng được đặt ở mức 130 ℃ với tốc độ tăng dần là 5 ℃/phút. Sau khi nhiệt độ môi trường trong buồng đạt 130 ℃, nhiệt độ được giữ trong 10 phút và sau đó các mẫu được quan sát. Dưới nhiệt độ này, các rủi ro tiềm ẩn do lỗi SEI, sự tan chảy của bộ tách và áp suất khí tăng từ chất điện phân. Sau khi thử nghiệm, không quan sát thấy rò rỉ, thoát khí và sụt áp của các cell pin được thử nghiệm.

Do đó, không có sự mất kiểm soát nhiệt của các tế bào được thử nghiệm. Có thể quan sát thấy từ Hình 2 rằng sự giãn nở thân tế bào của cả tế bào loại lăng trụ và tế bào loại túi đều xảy ra. Sự giãn nở thân tế bào có thể là do chất điện phân bay hơi. Tốc độ giãn nở thân tế bào trong thử nghiệm phụ thuộc vào lượng dung môi có điểm sôi thấp trong chất điện phân. Và lượng chính xác và tỷ lệ không rõ ràng đối với người dùng. Tuy nhiên, theo quan sát, có thể kết luận rằng mẫu loại túi được hiển thị trong Hình 2 (c) có hiệu suất tốt hơn mẫu trong Hình 2 (b), điều này cho thấy mức độ an toàn cao hơn. Mẫu loại lăng trụ trong Hình 2 (a) cho thấy hiệu suất tốt do có khả năng chịu nhiệt cao do độ dày.

2.2 Sự đâm xuyên

Một chiếc đinh ∅5 mm được đâm xuyên vào mẫu với tốc độ 20 mm/giây. Sau đó, nó được rút ra sau 1 phút. Trong điều kiện thử nghiệm này, có thể xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong do tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu dương và âm. Nhiệt do đoản mạch bên trong mang lại có thể dẫn đến phản ứng phân hủy các thành phần của pin.

Trong quá trình thử nghiệm, hiện tượng phun chất điện phân và thoát khí nghiêm trọng đã được quan sát thấy đối với tất cả các cell loại lăng trụ. Điện áp đo được và nhiệt độ bề mặt của một cell được thể hiện trong Hình 3(a). Các đường cong cho thấy sự xuất hiện của hiện tượng đoản mạch bên trong gây ra sự giải phóng năng lượng được lưu trữ và làm giảm điện áp của cell. Hơn nữa, nhiệt độ tăng lên đến 130 8 ℃ do năng lượng được giải phóng. Nhiệt độ bề mặt sau đó giảm xuống phạm vi tương đối an toàn, điều này có nghĩa là các phản ứng dây chuyền tỏa nhiệt đã không xảy ra và hiện tượng mất kiểm soát nhiệt đã được tránh sau khi thử nghiệm.

Đối với các cell loại túi, không phát hiện thấy nhiệt độ tăng, chất điện phân phun hoặc khí thoát ra trong quá trình thử nghiệm, ngoại trừ một trong năm mẫu. Trong Hình 3 (b), điện áp đo được và nhiệt độ bề mặt của cell có vấn đề được biểu diễn. Một phần năng lượng được lưu trữ đã được giải phóng thông qua mạch ngắn bên trong. Và mạch ngắn bên trong đã được chấm dứt bởi khí thoát ra từ chất điện phân, làm cạn kiệt thân cell và tạo thành lớp cách ly giữa vật liệu dương và âm và lớp ngăn cách trong khu vực bị xuyên thủng.

Sự đoản mạch bên trong không hoàn chỉnh này chỉ dẫn đến điện áp cell giảm nhẹ và nhiệt độ đỉnh là 90,5 ℃. Khi nhiệt độ bề mặt cell giảm xuống, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt không xảy ra sau khi thử nghiệm. Bảo vệ thông gió của cell loại lăng trụ được kích hoạt do áp suất bên trong cao, như thể hiện trong Hình 4(a). Đối với cell loại túi, có thể quan sát thấy sự giãn nở của thân, như thể hiện trong Hình 4(b). Nhìn chung, cell loại túi cho thấy mức độ an toàn cao hơn so với cell loại lăng trụ.

2.3 Sạc quá mức

Các mẫu được sạc quá mức với dòng điện 0,05 C. Khi điện áp của cell đạt 5 V hoặc thời gian sạc đạt 30 phút, thử nghiệm sẽ kết thúc. 1 C được định nghĩa là tốc độ dòng điện mà cell pin được xả hoàn toàn trong 1 giờ, nghĩa là 1 C bằng 40 A đối với pin có dung lượng 40 Ah.

Đối với tất cả các mẫu đã thử nghiệm, không có rò rỉ clectrolyte, khí thoát ra hoặc các mối nguy hiểm khác được quan sát thấy. Có thể quan sát được độ giãn nở của thân mẫu sau khi thử nghiệm. Theo điện áp cell đo được, nhiệt độ môi trường xung quanh và bề mặt cell được thể hiện trong Hình 5, có thể kết luận rằng hiện tượng mất kiểm soát nhiệt không xảy ra.

2.4 Ngắn mạch ngoài

Một contactor mạch được kết nối giữa các điện cực mẫu và điện trở ngắn mạch được đặt ở mức 5 mΩ. Trong các thử nghiệm ban đầu của thử nghiệm, các đám cháy đã được phát hiện trên cáp hoặc contactor, như thể hiện trong Hình 6. Do đó. Các cáp và contactor có dòng điện 1 500 A đã được chọn trong thử nghiệm sau đó để tránh cháy trong mạch thử nghiệm.

Sự giãn nở của thân pin, rò rỉ chất điện phân và thoát khí đã được phát hiện trong quá trình thử nghiệm tất cả các mẫu loại lăng trụ cũng như một số mẫu loại túi. Sau khi tiếp điểm mạch thử nghiệm được đóng lại, nhiệt độ bề mặt pin tăng lên khoảng 100°C. Khi nhiệt độ tăng cao, thân pin giãn nở (như thể hiện trong Hình 7, khu vực A) với khí thoát ra từ chất điện phân (như thể hiện trong Hình 7, khu vực B) và chất điện phân rò rỉ (như thể hiện trong Hình 7, khu vực C). Cuối cùng, một sự thoát khí dữ dội với chất điện phân (như thể hiện trong Hình 7, khu vực D) đã xảy ra. Theo phần giới thiệu trước đó về chất điện phân, khí thoát ra và chất điện phân có thể bắt lửa. Sau khoảng 10 phút, nhiệt độ bề mặt pin bắt đầu giảm. Không có cháy hoặc nổ trong và sau quá trình thử nghiệm. Do đó, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt đã không xảy ra.

Bên cạnh đó, bộ thu dòng điện của điện cực dương bị nóng chảy ngay lập tức, chấm dứt tình trạng đoản mạch bên ngoài. Hiện tượng này được quan sát thấy ở hầu hết các mẫu loại túi và một mẫu loại lăng trụ. Hình 8 cho thấy quá trình nóng chảy của các mẫu loại lăng trụ dữ dội hơn so với các mẫu loại túi. Tia lửa kim loại trong Hình 8 bắn ra từ bộ thu dòng điện dương. Những tia lửa kim loại đó có thể đốt cháy khí thoát ra hoặc chất điện phân bị rò rỉ và sau đó gây ra hỏa hoạn.