Do pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, vũ trụ, xe năng lượng mới và các lĩnh vực khác, nên rủi ro và vấn đề an toàn của chúng trong quá trình sử dụng ngày càng nổi bật. Đặc biệt là trong điều kiện lạm dụng (như nhiệt độ cao, đoản mạch, quá tải và xả, rung động, đùn và va đập, v.v.), chúng dễ bị khói, cháy và thậm chí nổ. Do đó, các chỉ số an toàn của chúng cũng được đánh giá cao trên toàn thế giới. Hiện nay, một số tổ chức quốc tế và quốc gia trên thế giới đã đưa ra các tiêu chuẩn và yêu cầu kiểm tra pin lithium tương ứng và đã nghiên cứu hiệu suất an toàn của pin lithium-ion từ các góc độ khác nhau. Bài báo này thảo luận về các tiêu chuẩn an toàn của pin lithium-ion, phân tích mục đích và phương pháp thử nghiệm của các tiêu chuẩn an toàn khác nhau và tập trung vào việc phân tích các phương pháp thử nghiệm và các yếu tố ảnh hưởng đến đoản mạch bên trong có tác động lớn đến sự an toàn của pin lithium-ion.

1. Hệ thống đánh giá an toàn của pin lithium ion

1.1 Phân loại hệ thống

Hiện nay, hệ thống tiêu chuẩn nước ngoài được chia thành ba loại theo các cấp độ khác nhau:

(1) Các tiêu chuẩn quốc tế như Liên hợp quốc ( LHQ ), Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế ( IEC ), v.v.;

(2) Tiêu chuẩn quốc gia hoặc khu vực, chẳng hạn như tiêu chuẩn quốc gia do Viện Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ANSI), Viện Tiêu chuẩn Anh (BSI), Viện Tiêu chuẩn Đức (DIN), Ủy ban Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JISC) và tiêu chuẩn khu vực Châu Âu (EN) do Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Châu Âu (CEN) xây dựng;

(3) Các tiêu chuẩn công nghiệp, chẳng hạn như các tiêu chuẩn do các tổ chức công nghiệp như Viện Kỹ sư Điện và Điện tử Hoa Kỳ (IEEE), Hiệp hội Công nghiệp Pin Nhật Bản (BAJ) và Phòng thí nghiệm Bảo hiểm ( UL ) xây dựng.

1.2 Đánh giá và phân tích an toàn

Trong những năm gần đây, các phương pháp phát hiện pin lithium ngày càng hoàn thiện hơn, nhiều tiêu chuẩn an toàn đã được đưa ra trong và ngoài nước, chẳng hạn như GB/T 18287-2000 IEC62133, UL 1642 IEEE1625, v.v. Ngoài ra, các tiêu chuẩn an toàn cho việc vận chuyển và sử dụng pin lithium trong thiết bị cũng đã được đưa ra, chẳng hạn như UN38.3, GB 4943, v.v. Có thể nói rằng tiêu chuẩn an toàn của pin lithium-ion đã trở thành một phần quan trọng và không thể thiếu của tiêu chuẩn pin lithium-ion. Các mục kiểm tra của tiêu chuẩn an toàn thường được sử dụng hiện nay có thể được chia thành bốn loại.

Có nhiều sự khác biệt về nội dung của các tiêu chuẩn pin lithium-ion do cơ sở kỹ thuật và mục đích khác nhau của các tổ chức và nhà sản xuất khác nhau. Trong số các tiêu chuẩn pin lithium-ion của nước ngoài, các tiêu chuẩn IEC, UL, IEEE và JIS có ảnh hưởng. Các tiêu chuẩn liên quan của IEC được chỉ định theo các yêu cầu về hiệu suất, yêu cầu an toàn, thử nghiệm cơ học, an toàn vận chuyển, v.v.; Các tiêu chuẩn UL chủ yếu tập trung vào các thử nghiệm an toàn, nhiều trong số đó, chẳng hạn như thử nghiệm đốt cháy, không có trong các tiêu chuẩn khác; Tiêu chuẩn IEEE tập trung vào toàn bộ hệ thống pin.

Có những yêu cầu chi tiết đối với cell pin, gói pin và bộ sạc. Là nơi sản sinh ra pin lithium, Nhật Bản có các doanh nghiệp pin lithium ion lớn bao gồm Panasonic, Sony, Sanyo, NEC, Hitachi, v.v. Các doanh nghiệp này đặc biệt chú trọng đến việc phát triển công nghệ pin lithium ion và công tác chuẩn hóa liên quan. Tổ chức BAJ nơi các doanh nghiệp này đặt trụ sở đã xây dựng Tiêu chuẩn Yujia Nhật Bản JS C8714 – vào năm 2007. Tiêu chuẩn này là tiêu chuẩn an toàn do Nhật Bản phát triển dành riêng cho pin lithium ion và một số nội dung thử nghiệm của tiêu chuẩn này mang tính tiên phong, chẳng hạn như thử nghiệm ngắn mạch bên trong bắt buộc.

1.3 Tổ chức thử nghiệm

Hiện nay, các tổ chức thử nghiệm an ninh quan trọng nhất trên thế giới là Underwriters Lab – laboratories (UL-1642), Liên hợp quốc (UN) về Giao thông vận tải và Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC-Project).

1.4 Phân tích các mục đánh giá

Tất cả các thử nghiệm an toàn đều được thiết kế để mô phỏng tình huống lạm dụng có thể xảy ra. Ví dụ, châm cứu mô phỏng hiện tượng đoản mạch bên trong; Thử nghiệm quá tải mô phỏng sự cố hỏng bảng mạch bảo vệ; Thử nghiệm áp suất thấp trong thử nghiệm khả năng thích ứng với môi trường tương ứng với tình huống có thể xảy ra trong quá trình vận chuyển hàng không.

Độ khó của các hạng mục kiểm tra an toàn đối với các loại pin lithium-ion khác nhau là khác nhau. Nhìn chung, đối với pin lithium-ion kín, bài kiểm tra khả năng thích ứng với môi trường thường được coi là dễ vượt qua; Pin có kích thước nhỏ và dung lượng nhỏ cũng tương đối dễ vượt qua. Đối với những hạng mục kiểm tra khó vượt qua, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên trong quá trình kiểm tra. Nhiệt độ cao hơn sẽ gây ra hoặc đẩy nhanh phản ứng hóa học trong pin và cuối cùng dẫn đến tình trạng pin bị mất kiểm soát nhiệt, nổ, cháy và các tình trạng khác. Pin lithium-ion thương mại là loại pin cỡ nhỏ và trung bình có dung lượng thấp, tương đối dễ vượt qua các bài kiểm tra an toàn, ngay cả khi các vấn đề về an toàn phát sinh trong tay người dùng cuối. Tác hại trực tiếp gây ra cũng nhỏ; Đối với các loại pin có dung lượng cao hơn như EV và HEV đang được phát triển, việc vượt qua bài kiểm tra an toàn khó khăn hơn nhiều so với pin thương mại.

Ngoài ra, một khi vấn đề an toàn xảy ra, hậu quả sẽ rất khủng khiếp. Hơn nữa, so với các hệ thống điện hóa khác, pin lithium-ion có một số điểm khác biệt, đó là không có cơ chế bảo vệ bên trong khi sạc quá mức. Hơn nữa, hệ thống pin rất nhạy cảm với nước nên phải được bịt kín hoàn toàn. Do đó, khi pin bị sạc quá mức, một loạt các phản ứng không thể đảo ngược sẽ xảy ra, bao gồm cả việc tước lithium quá mức khỏi điện cực dương; Kim loại lithium kết tủa từ điện cực âm, dẫn đến phản ứng phân hủy dung môi điện phân và các dendrite lithium. Trong khi các phản ứng này xảy ra, một lượng nhiệt lớn được tạo ra và tích tụ, làm tăng tốc độ phân hủy nhiệt của điện cực dương và tương tự. Đồng thời, sự kết tủa của oxy và các khí khác làm tăng áp suất bên trong. Cuối cùng, nó có thể khiến pin cạn kiệt (áp suất tăng gây ra tác động của cơ chế phá vỡ), và trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể gây ra rò rỉ khí dữ dội, vỡ và hỏa hoạn và các tai nạn an toàn khác. Đối với pin lithium-ion, do sử dụng dung môi hữu cơ nên khi xảy ra tai nạn, thường xảy ra cháy.

Pin lithium-ion có khả năng chịu được quá tải nhất định. Điều này là do phản ứng phụ trong pin đơn giản hơn so với pin lithium chính. Lúc này, điện cực dương sẽ có phản ứng lắng đọng lithium, trong khi điện cực âm có thể có phản ứng phân hủy chất điện phân. Nhìn chung, khi sử dụng riêng các loại pin dung lượng lớn nhỏ, khả năng xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong là cao nhất. Nguyên nhân là một mặt, khi thiết kế loại pin này, nó thường theo đuổi dung lượng cao, do đó sử dụng màng ngăn mỏng hơn và điện cực mật độ cao. Điều này làm tăng khả năng gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong. Đồng thời, nếu có tạp chất hạt kim loại trong quá trình sản xuất, nó có thể lắng đọng trên bề mặt màng ngăn hoặc điện cực trong quá trình tuần hoàn, dẫn đến sự chồng chéo trực tiếp của điện cực dương và âm; Tuy nhiên, pin lớn thường được sử dụng kết hợp (ví dụ, pin công suất của xe điện lớn hơn 200V), do đó tai nạn do sạc quá mức nghiêm trọng là phù hợp nhất.

2. Phương pháp đánh giá ngắn mạch bên trong

Khi pin bị đoản mạch bên trong, một dòng điện rất lớn chạy qua vị trí đoản mạch và sinh ra một lượng nhiệt lớn, có thể gây ra hiện tượng nhiệt độ tăng cao, thậm chí là cháy hoặc nổ trong pin. Kiểm tra đoản mạch bên trong mô phỏng là một khía cạnh quan trọng của việc phát hiện pin lithium ion. Hiệu suất an toàn của pin lithium-ion có thể được đánh giá hiệu quả bằng cách đánh giá hiệu suất đoản mạch bên trong của pin lithium-ion thông qua các thử nghiệm dự đoán và phương pháp phát hiện. Trong số các tiêu chuẩn khác nhau của tiêu chuẩn lithium ion, các phương pháp phát hiện để mô phỏng đoản mạch bên trong chủ yếu bao gồm thử nghiệm đùn thanh, thử nghiệm đùn, thử nghiệm đâm kim, thử nghiệm va chạm vật nặng, thử nghiệm đoản mạch bên trong cưỡng bức, phương pháp NASA, thử nghiệm kim cùn, v.v.

3.Kết luận

Tính an toàn của pin điện là yếu tố hạn chế chính đối với sự phát triển của pin điện năng lượng mới hiện nay, và ngắn mạch bên trong là lỗi nghiêm trọng nhất trong an toàn của pin. Thông qua việc nghiên cứu hệ thống đánh giá và đánh giá ngắn mạch bên trong, chúng ta có thể hiểu đầy đủ các phương pháp và môi trường thử nghiệm khác nhau. Kết quả đánh giá các đặc tính an toàn của pin điện cũng khác nhau.

Nhiều quốc gia và khu vực không ngừng cải thiện luật, quy định, tiêu chuẩn và thử nghiệm có liên quan. Để ứng phó với môi trường ứng dụng ngày càng khắt khe. Hiện nay, pin điện của Trung Quốc, bao gồm luật và quy định liên quan đến xe năng lượng mới, bắt đầu tương đối muộn, chủ yếu tham khảo hệ thống của Châu Âu và Nhật Bản. Chỉ với các tiêu chuẩn thử nghiệm nghiêm ngặt hơn, phạm vi thử nghiệm toàn diện hơn và các liên kết thử nghiệm hoàn thiện hơn thì kết quả mới có thể chân thực và công bằng hơn. Chỉ bằng cách này, chúng ta mới thực sự có thể thúc đẩy thiết kế pin điện: chú ý đến các vấn đề an toàn trong quá trình sản xuất, thúc đẩy các doanh nghiệp chú ý đến các mắt xích yếu của pin điện với tiêu chuẩn cao hơn và bao phủ toàn bộ vòng đời của pin bằng nhận thức về bảo vệ an toàn pin, do đó giảm hiệu quả thương tích và tổn thất do an toàn pin gây ra.