Trong quá trình sản xuất pin, do sự bất cẩn trong kiểm soát quy trình, các hạt kim loại cực nhỏ đã trộn lẫn bên trong pin lithium-ion. Trong quá trình sử dụng pin, nhiệt độ thay đổi hoặc các hạt kim loại va chạm khác nhau đã xuyên thủng lớp ngăn cách giữa các điện cực dương và âm, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin và tạo ra lượng nhiệt lớn, khiến pin bắt lửa.

Do các hạt kim loại vô tình lọt vào trong quá trình sản xuất nên rất khó để ngăn chặn hoàn toàn các sự cố như vậy xảy ra. Do đó, chúng tôi cố gắng mô phỏng tình huống các hạt kim loại xâm nhập vào bộ tách và gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong thông qua “thử nghiệm đoản mạch bên trong cưỡng bức”.

Nếu pin lithium-ion có thể đảm bảo không có nguy cơ cháy nổ trong quá trình thử nghiệm, thì có thể đảm bảo hiệu quả rằng ngay cả khi các hạt kim loại được trộn lẫn bên trong pin trong quá trình sản xuất, chúng cũng không thể xuyên qua lớp ngăn cách giữa các điện cực dương và âm. Hoặc ngay cả khi màng ngăn bị thủng và gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong, vẫn sẽ không có nguy cơ cháy nổ gây nguy hiểm cho sự an toàn của cá nhân.

1.Buồng thử nghiệm

“Thử nghiệm ngắn mạch cưỡng bức bên trong pin đơn” yêu cầu thử nghiệm phải được tiến hành trong môi trường 10~60 ℃, với tốc độ áp dụng áp suất là 0,1mms, yêu cầu độ chính xác là ± 0,005ms và áp suất tối đa là 1000N. Ngoài ra, dữ liệu điện áp và áp suất cần được thu thập trong quá trình thử nghiệm.

Khi điện áp giảm hơn 50mV hoặc khi áp suất được áp dụng đáp ứng các yêu cầu (ắc quy hình trụ 800N, ắc quy vuông 400N), áp suất phải dừng lại và duy trì trong 30 giây. Điều này đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với thiết bị chịu áp suất: thứ nhất, kiểm soát tốc độ và độ chính xác của việc áp dụng áp suất; thứ hai, đảm bảo việc áp dụng áp suất; thứ ba, kiểm soát nhiệt độ môi trường; thứ tư, đáp ứng tần suất và độ chính xác của việc thu thập dữ liệu điện áp và áp suất.

Làm thế nào để đảm bảo tốc độ chính xác 0,1 ± 0,01mm/giây và áp suất 100N trong môi trường nhiệt độ cao và thấp là công nghệ then chốt để thiết bị thử nghiệm có thể đáp ứng các tiêu chuẩn thử nghiệm hay không. Để tạo ra tốc độ đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm, việc lựa chọn vật liệu thiết bị trước tiên phải đáp ứng các yêu cầu sử dụng của nhiệt độ môi trường thử nghiệm, và chìa khóa khác là lựa chọn nguồn điện và kiểm soát độ chính xác của thiết kế cơ cấu truyền động.

Chúng tôi đã phát triển ” Buồng thử nghiệm ngắn mạch bên trong pin ” thông qua các thí nghiệm lặp đi lặp lại, có thể đạt được ứng dụng áp suất có độ chính xác cao. Bằng cách trang bị hộp nhiệt độ cao và thấp có độ chính xác cao và hệ thống thu thập dữ liệu, chúng tôi đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về nhiệt độ và yêu cầu thu thập dữ liệu của thiết bị áp suất.

2. Các bước tính phí cho bài thử

Kiểm tra ngắn mạch bên trong cưỡng bức pin đơn là kiểm tra được thực hiện trên một pin đơn được sạc đầy. Điều kiện sạc là ổn định trong 1-4 giờ ở nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới tương ứng, sau đó sử dụng điện áp sạc trên và dòng điện sạc tối đa để sạc cho đến khi giá trị dòng điện dưới điều khiển sạc điện áp không đổi trở thành 0,05ItA.

Nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới cho biết khi pin có thể sử dụng điện áp sạc giới hạn trên và dòng điện sạc tối đa, nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trên bề mặt của cell pin được chọn để sạc trong điều kiện nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới dựa trên đặc tính vật liệu của pin lithium.

Nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới do JSC 8714 đề xuất lần lượt là 45 ℃ và 10 ℃. Điện áp sạc trên là 4,25V, dựa trên đặc điểm của vật liệu pin lithium-ion (điện cực âm oxit lithium coban • điện cực dương cacbon) thường dùng trên thị trường và không thể đại diện cho tất cả các loại pin lithium.

JSC8714 đề xuất rằng nếu cần sử dụng nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới mới và điện áp sạc trên, cần phải tiến hành một số thử nghiệm nhất định và cần bổ sung cơ sở dữ liệu bổ sung. Nội dung điều tra để xác định điện áp sạc giới hạn trên mới bao gồm: tính ổn định về mặt cấu trúc của vật liệu điện cực dương, sự hấp thụ lithium của vật liệu điện cực âm và tính ổn định về mặt cấu trúc của chất điện phân;

Khi xác định nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới mới, nội dung kiểm tra bao gồm tính ổn định về mặt cấu trúc của vật liệu điện cực dương, tính ổn định về mặt 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.

Ngoài ra, 5 ℃ được thêm vào nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên mới, áp dụng cho các điều kiện sạc của JSC8714 mục 5.1 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm của các mục 5.2-5.5. Dựa trên sự hấp thụ ion lithium của vật liệu điện cực âm Độ linh động của các ion lithium trong chất điện phân (tương ứng với nhiệt độ) sẽ đảm bảo an toàn cho pin đã sạc ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới và 5 ℃ nên được thêm vào nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới để đáp ứng các điều kiện sạc của 5.1 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm từ 5.2 đến 5.5.

3. Các bước áp dụng áp suất

Trong điều kiện nhiệt độ trên và dưới, sử dụng dụng cụ tạo áp suất để tạo áp suất với tốc độ 0,1 mm/giây tại vị trí đặt một tấm niken nhỏ trên một cục pin đơn. Đồng thời, sử dụng Vôn kế để theo dõi sự thay đổi điện áp tại đầu ra của cục pin đơn. Khi quan sát thấy điện áp giảm lớn hơn 50mV hoặc khi áp suất được áp dụng đáp ứng các yêu cầu (pin hình trụ 800N pin vuông 400N), hãy dừng giảm công cụ tạo áp suất, giữ trong 30 giây, sau đó loại bỏ áp suất.

Sử dụng mức áp suất chậm tới 0,1mm/giây có thể kiểm soát tốt hơn thời gian và mức độ nghiêm trọng của hiện tượng đoản mạch bên trong. Khi xảy ra hiện tượng sụt áp 5mV trong quá trình áp dụng áp suất, điều đó cho thấy tấm niken nhỏ được đặt bên trong pin đơn đã đâm thủng bộ tách pin dưới áp suất, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin đơn. Lúc này, không cần tiếp tục áp dụng áp suất. Nếu áp suất đạt 800N và pin vuông được nén ở mức 400N, vẫn không có hiện tượng sụt áp, điều đó cho thấy bộ tách pin đơn có thể ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng thủng tấm niken nhỏ, điều này cũng có thể ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch bên trong pin đơn sau khi trộn với các hạt kim loại nhỏ.

4.Kết luận

Với việc ứng dụng ngày càng rộng rãi của pin lithium-ion và sự tiến bộ liên tục của các công nghệ liên quan, các yêu cầu về an toàn của chúng cũng ngày càng tăng. Nhiều quốc gia, tổ chức và doanh nghiệp đang tích cực nghiên cứu các phương pháp phát hiện có thể đánh giá chính xác và hiệu quả hơn về tính an toàn của pin lithium-ion. Chỉ bằng cách liên tục nghiên cứu và khám phá các đặc tính điện hóa và môi trường của pin lithium-ion, chúng ta mới có thể phát triển các dự án và điều kiện thử nghiệm pin lithium-ion khoa học, có mục tiêu và khả thi hơn.