Sự thoát nhiệt của pin điện lithium-ion
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.
