Giới thiệu thử nghiệm an toàn pin Li-on hình trụ
Tính an toàn của pin lithium ion đề cập đến khả năng ngăn chặn các nhiễu loạn bên ngoài ban đầu và gây ra hành vi không an toàn trong quá trình sử dụng bình thường hoặc lạm dụng. Pin lithium ion hình trụ có năng lượng riêng cao hơn và vỏ pin được làm bằng thép. Khi pin bị mất nhiệt bất thường, nhiệt bên trong pin tích tụ, tạo ra áp suất cao hơn và có thể phát nổ, gây hại cho thế giới bên ngoài và người dùng. Do sự khác biệt trong bảng điều khiển và sự hiểu biết của khách hàng về pin, việc lạm dụng pin là không thể tránh khỏi trong quá trình sử dụng thực tế. Do đó, đặc biệt đối với pin lithium-ion hình trụ, tính an toàn của pin không chỉ là ngăn ngừa khói, cháy, rò rỉ chất lỏng và nổ theo các thử nghiệm tiêu chuẩn khác nhau mà còn tránh thương tích cá nhân do các vấn đề trên gây ra trong trường hợp khách hàng lạm dụng.
Ưu điểm sản xuất và kỹ thuật chủ yếu của pin lithium ion hình trụ vẫn do các doanh nghiệp Nhật Bản và Hàn Quốc kiểm soát. Các doanh nghiệp trong nước sản xuất pin lithium ion hình trụ cũng có quy mô nhất định, nhưng về hiệu suất sản phẩm, ngoài độ trễ nhất định về công suất, nhược điểm lớn nhất nằm ở hiệu suất an toàn của pin. Sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất pin lithium ion hình trụ trong nước, cũng như giữa các doanh nghiệp trong và ngoài nước, đang dần đẩy ngành công nghiệp pin lithium ion hình trụ vào kỷ nguyên sản xuất tinh chế.
1. Đánh giá an toàn của pin lithium hình trụ
Tiêu chuẩn an toàn pin hiện tại chủ yếu bao gồm tiêu chuẩn thử nghiệm UL1642 của Hoa Kỳ , tiêu chuẩn thử nghiệm IEC của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế , JIS của Nhật Bản, GB của Trung Quốc và các tiêu chuẩn chung khác. Đối với pin lithium-ion hình trụ, do lợi thế kỹ thuật của chúng trong các doanh nghiệp Nhật Bản và lợi thế thị trường ở Châu Âu và Hoa Kỳ, chủ yếu có hai tiêu chuẩn được ưa chuộng trong ngành: JIS và UL. Bất kể tiêu chuẩn nào, pin đều phải:
1) không có hiện tượng bất thường như khói, cháy hoặc rò rỉ chất lỏng trong quá trình sử dụng bình thường của khách hàng;
2) Trong trường hợp khách hàng lạm dụng , cũng không được có bất thường như khói, cháy, rò rỉ chất lỏng, v.v.;
3) Yêu cầu đặc biệt đối với pin hình trụ. Do pin lithium hình trụ thường được sử dụng với số lượng lớn pin đơn, đòi hỏi độ đồng nhất của pin cao hơn, một số khách hàng cũng đề xuất các thử nghiệm hiệu suất đặc biệt như đầu tư dưới biển sâu. Do sử dụng vỏ thép làm vỏ ngoài của pin lithium hình trụ, nếu xảy ra nổ, có thể gây hại đáng kể cho cơ thể con người. Do đó, yêu cầu an toàn đối với pin lithium hình trụ sẽ cao hơn. Ngay cả khi pin bắt lửa trong những tình huống cực đoan như hỏa hoạn, không có chất rắn nào có thể bay ra ngoài, để đảm bảo an toàn cá nhân cho người sử dụng.
Đối với pin lithium-ion hình trụ, do vỏ thép, khi pin phát nổ, có thể gây ra tác hại đáng kể cho cơ thể con người. Do đó, cần đặc biệt chú ý đến thử nghiệm đạn . Theo yêu cầu của UL, trong quá trình thử nghiệm, pin đã sạc đầy được đặt trên lưới kim loại, được phủ bằng lưới thép 20 lỗ, sau đó được nung nóng cho đến khi pin bắt lửa hoặc bị phá hủy. Yêu cầu không được có các hạt rắn nào thoát ra ngoài sau khi pin bị đốt cháy, khiến lưới bị vỡ. Do màng pin co lại khi nung nóng, các tấm điện cực dương và âm bên trong pin mất khả năng cách ly của lớp bảo vệ, dẫn đến diện tích ngắn mạch lớn.
Lúc này, pin đang ở trạng thái sạc đầy, hệ thống pin tích tụ năng lượng hóa học cao nhất. Cháy pin là điều không thể tránh khỏi; Tuy nhiên, xét đến việc khách hàng có thể ở gần pin khi sử dụng, cần kiểm soát để không có vật cứng rắn nào bị đẩy ra trong quá trình đánh lửa. Ở trạng thái này, để đảm bảo pin không phát nổ mặc dù có hỏa hoạn, cần thiết kế hợp lý hơn các thành phần cực pin. Thiết kế cực cao cấp có thể cung cấp kênh xả khí trơn tru khi xảy ra hiện tượng đoản mạch pin ở một mức độ nhất định, loại bỏ sự tích tụ nhiệt liên tục, do đó cuối cùng tránh được tình trạng nổ pin.
2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn
Tóm lại, an toàn là rất quan trọng đối với pin lithium hình trụ. Để đảm bảo nhu cầu an toàn của khách hàng đầu cuối, nhân viên nghiên cứu và phát triển cần phải có những phản ứng nhất định trong thiết kế pin. Chủ yếu thể hiện ở những điểm sau:
2.1 Vật liệu pin
Sự thoát nhiệt là một yếu tố quan trọng gây ra các mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn trong pin lithium hình trụ và sự xuất hiện của sự thoát nhiệt có liên quan chặt chẽ đến vật liệu pin. Trong quá trình do sự thoát nhiệt của pin lithium gây ra, sự phân hủy màng SEI cung cấp sự tích tụ nhiệt ban đầu và sau đó phản ứng phân hủy điện cực âm/chất điện phân được kết nối để đạt đến nhiệt độ của phản ứng phân hủy điện cực dương/chất điện phân.
Sau đó, phản ứng phân hủy của chất điện phân cuối cùng dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt. Do đó, việc chặn bất kỳ bước nào trong quy trình có thể cải thiện độ ổn định nhiệt của pin. Cải thiện độ ổn định nhiệt của màng SEI thông qua việc sửa đổi giao diện và kiểm soát phạm vi nhiệt độ phản ứng của vật liệu điện cực dương và âm thông qua tối ưu hóa vật liệu có thể làm giảm hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin và cải thiện độ an toàn tổng thể của pin.
2.2 Kiểm soát quy trình
Tính nhất quán của pin là điều kiện tiên quyết để đảm bảo an toàn cho kết nối nối tiếp và song song. Để đạt được tính nhất quán của pin, quá trình sản xuất phải được kiểm soát cẩn thận. Việc thiếu sót trong các chi tiết của quy trình sản xuất thường gây ra các vấn đề an toàn nghiêm trọng.
2.3 Thiết kế pin
Thiết kế pin hợp lý có thể cải thiện hiệu suất an toàn của pin trong trường hợp lạm dụng. Đối với pin lithium-ion hình trụ, thiết kế an toàn của pin chủ yếu xem xét hai điểm sau:
(1) Lựa chọn phụ gia điện phân. Sạc quá mức là một trong những tình trạng phổ biến của tình trạng lạm dụng pin. Khi pin bị sạc quá mức, chất điện phân bị oxy hóa và phân hủy, tạo ra một lượng nhiệt lớn, dẫn đến áp suất và nhiệt độ bên trong pin tăng đột ngột, gây ra nguy cơ nổ tiềm ẩn cho pin hình trụ. Nghiên cứu về việc cải thiện an toàn sạc quá mức bằng cách thêm phụ gia chống sạc quá mức vào chất điện phân đang dần được đào sâu.
(2) Thiết kế điện trở bên trong thấp. Điện trở bên trong của pin là điện trở mà dòng điện chạy qua pin gặp phải trong quá trình hoạt động. Do điện trở bên trong lớn, pin sẽ sinh ra lượng nhiệt lớn trong quá trình hoạt động, khiến nhiệt độ pin tăng cao, dẫn đến điện áp hoạt động xả pin giảm và thời gian xả pin ngắn lại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin, thậm chí gây ra tai nạn an toàn như nổ. Có thể giảm điện trở bên trong của pin và cải thiện độ an toàn của pin bằng cách tối ưu hóa tỷ lệ và điều chỉnh bố cục bên trong.
