Pin lithium ion gây ra rủi ro an toàn trong cả hàng không dân dụng và vận tải đường bộ, cũng như trong vận tải và thiết bị gia dụng. Để tìm ra giải pháp cho những vấn đề này, tác động của rung động cơ học đến hiệu suất và sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion trong điều kiện điện áp thấp đã được nghiên cứu. Trong điều kiện điện áp thấp, rung động cơ học gây ra sự gia tăng nhiệt độ mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion và thay đổi đáng kể thời gian bật của van an toàn.

Rung động cơ học tần số thấp và biên độ lớn đẩy nhanh quá trình đoản mạch pin, trong khi rung động tần số cao làm tăng nhiệt độ đánh lửa và thể tích xả của pin lithium. Đối với pin lithium-ion 18650, nhiệt độ mà van an toàn bật ra là từ 140 ~ 150 ℃. Khi van an toàn bật ra, cường độ giải phóng khí tương đối cao và tín hiệu khí có thể là biến số chính để cảnh báo an toàn pin lithium. Sau rung động điện áp thấp, dung lượng xả của pin lithium-ion nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc

1. Loại hỏng pin lithium-ion

Là “trái tim” của ô tô, pin lithium-ion quyết định quãng đường mà ô tô di chuyển. Hệ thống pin lithium-ion bao gồm bốn thành phần chính: mô-đun pin (cell đơn nối tiếp song song), hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý nhiệt và các thành phần điện và cơ khí. Chức năng chính của BM là theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin theo thời gian thực thông qua các cảm biến vỏ, bộ truyền động, chip điều khiển chính, v.v. Tuy nhiên, do quá trình lão hóa và phân hủy bên trong của từng pin riêng lẻ trong cụm pin, cũng như sự ăn mòn của mạch trong quá trình nhóm pin, hoạt động không đúng cách trong quá trình sử dụng có thể dẫn đến các yếu tố bên ngoài bất thường như sạc quá mức và xả quá mức. Tác động kết hợp của các yếu tố bên trong và bên ngoài này dẫn đến hỏng hóc bên trong và bên ngoài của pin. Các lỗi bên trong của pin lithium-ion có thể được phân loại thành các loại như sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch bên trong và mất kiểm soát nhiệt.

Lỗi bên trong là do BMS và chính cảm biến bị trục trặc, khiến cảm biến không hoạt động bình thường. Mặt khác, lỗi này là do phản ứng điện hóa và đoản mạch bên trong cấu trúc bên trong của pin, dẫn đến hiện tượng dendrite lithium. Tuy nhiên, nguy cơ hỏng hóc bên ngoài trong pin lithium-ion thường lớn hơn hỏng hóc bên trong. Hỏng hóc bên ngoài có thể gây ra phản ứng dây chuyền hỏng hóc bên trong, cuối cùng dẫn đến tình trạng nóng không kiểm soát. Hỏng hóc cảm biến thường là lỗi dễ bị bỏ qua nhất, nhưng điều này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

BMS dựa vào các cảm biến để đạt được các chức năng như điều khiển cân bằng, chẩn đoán lỗi và ước tính Trạng thái sạc (SOC). Nếu cảm biến gặp phải độ lệch, trôi hoặc ngừng hoạt động, nó không thể lấy dữ liệu thời gian thực và đưa ra các phán đoán chính xác và hợp lý về trạng thái hiện tại của pin. Điều này không chỉ có thể làm giảm hiệu suất mà còn gây ra các tai nạn an toàn lớn. Tuy nhiên, do các cảm biến được che giấu nhiều nên việc chẩn đoán rất khó khăn, đây cũng là trọng tâm và khó khăn của nghiên cứu cảm biến hiện tại.

BMS quản lý các bộ pin được tạo thành từ hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn pin riêng lẻ. Do các đặc điểm tương tự của lỗi cell pin, lỗi cảm biến và lỗi đầu nối, cũng như thực tế là nhiều lỗi về cơ bản là nhỏ và rất khó phát hiện, nên rất khó để nhanh chóng xác định chúng. Do đó, BMS đôi khi gây ra chẩn đoán sai và vận hành sai. Điều quan trọng đối với sự an toàn của ô tô là phát hiện nhanh chóng và chẩn đoán chính xác nhiều lỗi pin. Quá trình chẩn đoán lỗi pin có thể được chia thành bốn khía cạnh: phát hiện lỗi, phân loại lỗi, định vị lỗi và cô lập lỗi. Xử lý dữ liệu của pin đóng vai trò nền tảng trong chẩn đoán lỗi pin và hiệu quả của việc khử nhiễu có thể được xác minh hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp lọc hình thái toán học.

2. Vấn đề với phương pháp chẩn đoán đo điện áp

(1) Trong các ứng dụng thực tế, hệ thống quản lý pin chỉ có thể đo điện áp đầu cuối của từng pin riêng lẻ trong bộ pin. Để giá trị đo điện áp bao gồm điện áp tại các đầu cuối riêng lẻ và điện áp trên các đầu nối, cần phải thêm các đường đo bổ sung, điều này chắc chắn làm tăng độ phức tạp của thiết bị. Nếu khi bắt đầu thiết kế hệ thống quản lý pin, điện áp thu thập được bao gồm điện áp đầu cuối và điện áp trên đầu nối, điều này sẽ khiến hệ thống quản lý pin không thể lấy chính xác điện áp đầu cuối của pin và do đó không thể kiểm soát và quản lý hiệu quả việc sạc và xả pin, dễ xảy ra lỗi sạc quá mức và xả quá mức

(2) Những thay đổi điện áp do thay đổi điện trở bên trong của pin tương tự như những thay đổi điện áp trong quá trình lỗi kết nối. Cả hai đều có cùng cấp độ, do đó, các phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp cũng phải đối mặt với thách thức là phân biệt giữa lỗi kết nối và lỗi có điện trở bên trong của pin tăng lên.

(3) Khi xảy ra sự lỏng lẻo kết nối nhẹ trong bộ pin, sự gia tăng điện trở tiếp xúc rất nhỏ. Nếu dòng điện làm việc của bộ pin nhỏ, lỗi kết nối như vậy sẽ không gây ra những thay đổi đáng kể trong tín hiệu điện áp. Do đó, phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp được đề cập ở trên có thể không phát hiện được sự lỏng lẻo kết nối nhẹ sớm.

3. Tác động của rung

Tiến hành thử nghiệm sạc và xả áp suất khí quyển trên pin được xử lý rung điện áp thấp, để chứng minh những thay đổi về hiệu suất sạc và xả của pin lithium sau khi vận chuyển bằng máy bay. Kết quả cho thấy sau khi xử lý tần số rung ở 60 Hz và 80 Hz trong môi trường điện áp thấp, hiệu ứng sạc thấp hơn pin ban đầu và xử lý 60 Hz có tác động đáng kể nhất đến dung lượng của pin lithium;

Các tần số rung động khác đều làm tăng tốc độ sạc, và sự thay đổi đáng kể ở tần số 120 Hz. Trong quá trình xả, đường cong pin lithium-ion với xử lý rung động 120 Hz có độ lệch lớn nhất, trong khi đường cong với 200 Hz có độ lệch nhỏ nhất. Các độ lệch còn lại dao động từ nhỏ đến lớn, bao gồm 60 Hz, 80 Hz, 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz và 100 Hz.

Người ta thấy rằng không có mối tương quan tích cực giữa tần số rung và tình trạng phóng điện, điều này có thể chỉ ra rằng thiệt hại cho cấu trúc do rung động gây ra có liên quan đến khả năng phản ứng của cấu trúc pin đối với tần số và biên độ. Một số tần số và biên độ rung động có thiệt hại lớn hơn đối với cấu trúc của pin lithium 18650.

Từ so sánh tổng thể của đường cong sạc và xả, có thể thấy rằng dung lượng xả của tất cả các loại pin đã rung đều nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc. Điều này có thể chỉ ra rằng dung lượng và hiệu suất xả của pin sẽ bị hỏng do rung động cơ học.

Trên thực tế, sau khi chịu tác động rung động cơ học, mức độ tiếp xúc giữa điện cực dương và điện cực âm trong chất điện phân của pin lithium-ion sẽ thay đổi, dẫn đến diện tích tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch điện phân thay đổi, cản trở quá trình truyền ion lithium sang điện cực âm trong quá trình sạc và xả, do đó làm giảm lượng lithium được nhúng trong điện cực âm.

4. Kết luận

Bài viết này đề xuất một phương pháp chẩn đoán lỗi cho các kết nối bộ pin lithium-ion dựa trên các tín hiệu rung động cơ học và thu được các kết luận sau. Sử dụng các tấm gốm áp điện khác nhau để tạo ra sự kích thích rung động, đo phản ứng rung động và trích xuất các đặc điểm thời gian-tần số từ tín hiệu phản hồi có thể đạt được hiệu quả phân loại các chế độ lỗi kết nối điểm đơn và đa điểm. Công việc trong tương lai sẽ tối ưu hóa bố cục của các tấm gốm áp điện, thu thập các tín hiệu rung động từ môi trường xe và làm cho phương pháp này phù hợp để chẩn đoán lỗi kết nối của bộ pin lithium-ion trong xe.

Ý nghĩa của việc thử nghiệm đâm xuyên

Thử nghiệm xuyên đinh là phương pháp thử nghiệm ngắn mạch bên trong để thử nghiệm độ an toàn của pin lithium-ion để chịu được ngắn mạch bên trong. Sử dụng đinh thép để xuyên qua pin, mô phỏng ngắn mạch bên trong và tiến hành thử nghiệm để xác nhận xem pin có bốc khói, bắt lửa hay vỡ không. Ngoài ra, thử nghiệm xuyên đinh không chỉ là thử nghiệm để xác nhận độ an toàn của pin mà còn là thử nghiệm để hiểu các đặc tính cơ bản của pin.

Trong điều kiện bình thường, các tấm điện cực dương và âm của pin lithium-ion được cách điện bằng một lớp màng cách điện polymer trong chất điện phân hữu cơ – một lớp ngăn cách. Ở trạng thái này, việc đưa đinh thép vào bên trong pin lithium-ion sẽ tạo ra một mạch ngắn giữa các tấm điện cực dương và âm, buộc phải thực hiện thử nghiệm ngắn mạch bên trong. Đặc điểm của phương pháp thử nghiệm này là có thể điều chỉnh các điều kiện thử nghiệm như đường kính, vật liệu, độ sâu chèn, vị trí chèn và tốc độ chèn của đinh thép được chèn vào pin.

Nguy cơ đâm xuyên

Nhu cầu thử nghiệm độ xuyên đinh trong pin lithium-ion có nghĩa là chúng dễ bị ngắn mạch bên trong và nếu xảy ra ngắn mạch, chúng sẽ ở trạng thái rất nguy hiểm. Pin lithium-ion có đặc điểm là mật độ năng lượng cao, điện trở trong thấp và cho phép dòng điện chạy qua cao, khiến chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm. Nói chung, hiện tượng ngắn mạch bên trong pin trong quá trình sử dụng là do sự hiện diện của các vật thể lạ dẫn điện trong quá trình sản xuất hoặc do tác động hoặc ứng suất bên ngoài.

Trên thực tế, một khi sản phẩm được sản xuất, rất khó để thực hiện các biện pháp đối với hiện tượng ngắn mạch bên trong trong các hệ thống điều khiển, bao gồm cả mạch sạc và xả pin. Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch bên trong, một dòng điện ngắn mạch lớn sẽ được tạo ra bên trong pin, từ đó tạo ra nhiệt Joule. Nhiệt này gây ra phản ứng của các chất điện phân hữu cơ dễ cháy, tạo ra khí nhiệt độ cao và làm tăng khả năng mất kiểm soát nhiệt. Khi hiện tượng mất kiểm soát nhiệt xảy ra, có thể xảy ra khói và lửa, và trong trường hợp nghiêm trọng, pin có thể bị vỡ, gây nguy hiểm cho sự an toàn cá nhân của người sử dụng.

Theo quan điểm của người dùng, việc đảm bảo an toàn cho pin là rất quan trọng đối với ứng dụng pin lithium-ion. Thử nghiệm bằng kim bao gồm việc đóng đinh thép vào pin, điều này có thể dễ dàng tạo ra một mạch ngắn bên trong giữa các điện cực dương và âm. Tuy nhiên, khi đinh được đóng vào pin để tạo thành một lỗ trên bề mặt pin, lỗ này sẽ giải phóng khí nhiệt độ cao, gây ra sự thay đổi trạng thái tản nhiệt bên trong của pin, có thể khác với tình huống ngắn mạch bên trong thực tế.

Thử nghiệm đâm xuyên góc tù

Thử nghiệm ngắn mạch bên trong bắt buộc sử dụng một chốt hình cầu ở trên cùng, đây là phương pháp kiểm tra có thể tạo ra một mạch ngắn bên trong (ngắn mạch nhỏ) mà không gây thủng trên bề mặt pin, được gọi là Thử nghiệm đinh cùn. Phương pháp này tạo ra một mạch ngắn giữa các vật liệu điện cực (tấm điện cực dương và âm) của pin thông qua áp lực của đinh, dẫn đến chỉ biến dạng nhẹ của pin được kiểm tra. So với thử nghiệm xuyên đinh thông thường, phương pháp này có thể tạo ra trạng thái gần với mạch ngắn bên trong thực tế hơn.

Chuẩn bị buồng thử nghiệm

Để tiến hành thử nghiệm này, việc đóng đinh thủ công vào pin lithium-ion chắc chắn là không khả thi. Đừng thử dễ dàng – đinh có thể bắn ra ngoài, gây thương tích cho tay và cơ thể. Do đó, chúng ta cần sử dụng máy thử kim. Buồng thử độ xuyên đinh DGBELL được sử dụng ở đây (với áp suất tối đa là 20 k N và hành trình 200 mm) đã được chế tạo để có thể lắp đinh thép có hai đường kính khác nhau (φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Các biện pháp an ninh

Vì lý do an toàn, máy thử nghiệm có chức năng chống cháy nổ để ngăn ngừa cháy nổ pin gây nguy hiểm cho sự an toàn của nhân viên thử nghiệm. Do cân nhắc về giá cả, máy thử nghiệm có các tùy chọn cho động cơ thủy lực và động cơ servo máy tính. Động cơ thủy lực dễ vận hành, trong khi động cơ servo có thể được thiết lập với các điều kiện thử nghiệm chi tiết hơn, mang lại độ chính xác cao hơn. Được trang bị hệ thống thu thập nhiệt độ và điện áp, dữ liệu nhiệt độ pin được thu thập thông qua cặp nhiệt điện loại K, cắm và chạy, với phạm vi đo từ 0-600 ℃. Phạm vi thu thập điện áp là 0-50 V. Hộp thử nghiệm được trang bị các đồ gá có thể cố định pin và kim thép có kích thước khác nhau. Tốc độ chèn của đinh có thể điều chỉnh từ 0,1 đến 80 mm/giây.

Các biện pháp phòng ngừa liên quan

Ở đây, chúng tôi thử nghiệm ba loại pin xếp chồng khác nhau (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). Dữ liệu cần đo như sau:

• Sự thay đổi điện áp cực của pin theo thời gian
• Nhiệt độ bề mặt pin
• Những thay đổi về hình dạng và vẻ ngoài của pin sau khi bị đinh đâm vào

Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần chuẩn bị kỹ các biện pháp phòng cháy chữa cháy, an toàn như: phòng ngừa bắn tóe, chừa đủ không gian bảo dưỡng cho máy thử nghiệm, đảm bảo hệ thống chữa cháy hoạt động bình thường.

Sự khác biệt do tình trạng đâm xuyên đinh

Dựa trên một số kết quả thực nghiệm, bao gồm các kết quả thử nghiệm ở trên, có thể suy ra những sự kiện sau đây.

(1) Tại điểm đâm thủng, điện áp đầu cực giảm đáng kể và giảm dần xuống 0 V. Khi điện áp giảm đến một mức độ nhất định, sẽ có sự dao động đáng kể trong đường cong điện áp.

(2) Ở giai đoạn điện áp thay đổi đáng kể từ điểm kim đến cực, kết quả thử nghiệm của các loại pin và điều kiện kim khác nhau cũng khác nhau, nhưng điện áp cực sẽ giảm xuống 0 V sau 10-20 giây.

(3) Khi thử nghiệm các loại pin có cùng dung lượng, đinh càng dày thì sự thay đổi điện áp cực càng lớn.

Đo nhiệt độ bề mặt pin

Sau khi đinh xuyên qua, nhiệt độ bề mặt của pin xếp chồng có thể được thu thập theo thời gian thông qua hệ thống thu thập nhiệt độ. Sử dụng φ Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt được đo trong quá trình thử nghiệm đâm thủng pin xếp chồng 2000 m Ah bằng đinh thép 5 mm.

Nhiệt độ tăng sau khi đâm đinh

Trong quá trình thử nghiệm đâm thủng một ắc quy xếp chồng 2000 m Ah bằng đinh thép 5 mm, đã xảy ra tình huống cháy kèm theo và nhiệt độ vượt quá 200 ℃. Ngoài ra, trong quá trình thử nghiệm các mẫu ắc quy 1000 m Ah φ Một đám cháy đã bùng phát khi một đinh thép 3 mm bị đâm thủng. Sử dụng φ Trong thử nghiệm đâm thủng được tiến hành bằng đinh thép 5 mm, không chỉ xảy ra cháy mà nhiệt độ ắc quy cũng tăng đáng kể. Ngoài ra, chúng tôi đã thử nghiệm nhiều mẫu ắc quy bằng đinh thép có đường kính khác nhau và xu hướng tăng nhiệt độ theo thời gian tương tự như hình trên. Hơn nữa, nhiệt độ cao nhất đo được đối với các ô ắc quy khác nhau cũng có thể dưới 100 ℃.

Kết luận

Bài thử nghiệm này, bằng cách làm ngắn mạch các điện cực dương và âm, ngay lập tức chuyển đổi năng lượng điện được lưu trữ bên trong pin thành năng lượng nhiệt, tạo ra đủ nhiệt để khiến chất điện phân cháy và phát nổ. Theo quan điểm năng lượng, nhiệt sinh ra khi đốt cháy xăng gần như giống nhau. Đây là một bài thử nguy hiểm! Tôi tin rằng bạn đã có một số hiểu biết, đừng dễ dàng thực hiện bài thử này. Tuy nhiên, như một đánh giá an toàn để thiết kế và sản xuất pin, thử nghiệm đâm đinh có thể được thực hiện mà không cần dựa vào một lượng lớn tiền tài trợ và kết quả đo lường có thể được phản ánh trong quá trình sản xuất. Cuối cùng, pin lithium-ion an toàn khi sử dụng trong phạm vi định mức do nhà sản xuất chỉ định. Vượt quá phạm vi định mức, chẳng hạn như sạc quá mức hoặc xả quá mức nhiều lần, có thể khiến pin bắt lửa hoặc bị hỏng.

Trong các sản phẩm pin lithium-ion thương mại hiện nay, quá trình sạc và xả pin thường đi kèm với việc sinh nhiệt. Nếu pin sinh ra quá nhiều nhiệt trong quá trình sạc và xả và không thể tản nhiệt kịp thời, hiệu suất pin có thể bị suy giảm đáng kể do nhiệt tích tụ trong quá trình sạc và xả. Khi nhiệt độ tăng đến mức bộ tách bên trong pin tan chảy, gây ra hiện tượng ngắn mạch giữa điện cực dương và điện cực âm, pin có thể gây ra nguy cơ nổ và các mối nguy hiểm khác. Do đó, việc nghiên cứu định luật sinh nhiệt và hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin trong quá trình sạc và xả là rất quan trọng để kiểm tra tính an toàn của pin.

Thông thường, trong quá trình sử dụng pin, nhiệt độ của pin tăng lên đáng kể do trao đổi nhiệt giữa đối lưu không khí, dẫn nhiệt và môi trường xung quanh. Nhưng để nghiên cứu hiệu suất an toàn của pin, cần phải xem xét hành vi sinh nhiệt của pin trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt – môi trường đoạn nhiệt. Trong môi trường cách nhiệt, không có trao đổi nhiệt giữa pin và môi trường, và nhiệt sinh ra trong quá trình sạc và xả pin bị giới hạn hoàn toàn trong hệ thống pin, điều này có nhiều khả năng gây ra nguy cơ an toàn cho pin.

Quá trình sinh nhiệt trong quá trình sạc và xả của pin lithium-ion có thể được chia thành hai phần: nhiệt thuận nghịch (Qrev) và nhiệt không thuận nghịch (Qirr). Bằng cách đo hiệu ứng nhiệt của pin ở trạng thái đoạn nhiệt, không chỉ có thể hiểu được định luật sinh nhiệt của pin trong quá trình sạc và xả mà còn có thể tính toán được cân bằng năng lượng của pin trong quá trình sạc và xả. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp khác nhau như phép đo nhiệt lượng và điện hóa để thu được nhiệt thuận nghịch và không thuận nghịch của pin, đồng thời phát triển mô hình sinh nhiệt và phương pháp mô phỏng nhiệt cho pin điện ô tô. Phép đo nhiệt lượng gia tốc là phương pháp thử nghiệm và phân tích độ an toàn nhiệt của các mẫu trong điều kiện gần như đoạn nhiệt.

Với việc sử dụng rộng rãi pin lithium-ion, một mặt, các yêu cầu về tuổi thọ và độ an toàn của pin đang dần tăng lên; Mặt khác, việc sử dụng pin theo tầng cũng cần phải xem xét các đặc điểm an toàn của chúng. Do đó, việc nghiên cứu các đặc điểm an toàn của pin vòng đời, làm rõ các điều kiện ranh giới an toàn và mối quan hệ hiệu quả năng lượng của pin trong toàn bộ vòng đời của chúng là rất cấp thiết. Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về các đặc điểm nhiệt của các cell pin mới, nhưng có rất ít nghiên cứu về tác động của quá trình lão hóa đối với độ an toàn của pin. Quá trình lão hóa nói chung có thể được chia thành hai loại: lão hóa theo chu kỳ và lão hóa lưu trữ.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phép đo nhiệt lượng để nghiên cứu đặc điểm lão hóa và mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion trong các quy trình lưu trữ khác nhau. Họ phát hiện ra rằng các thông số chính của mất kiểm soát nhiệt, chẳng hạn như nhiệt độ khởi động tỏa nhiệt và nhiệt độ khởi động mất kiểm soát nhiệt, tăng theo quá trình lão hóa pin, trong khi tốc độ mất kiểm soát nhiệt giảm. Các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu hành vi lạm dụng nhiệt của pin lithium-ion đang hoạt động và bị hỏng trong điều kiện lão hóa theo chu kỳ, lưu trữ ở nhiệt độ cao và điều kiện lão hóa lưu trữ ở nhiệt độ phòng, đồng thời phát hiện ra quá trình nổ khí và khí độc thải ra sau khi lạm dụng.

Bài viết này lấy pin lithium coban oxit làm đối tượng nghiên cứu, sử dụng nhiệt lượng kế tốc độ tăng tốc (ARC) để cung cấp môi trường đoạn nhiệt, kiểm tra nhiệt dung riêng, sinh nhiệt và sự mất kiểm soát nhiệt của pin và nghiên cứu các đặc tính nhiệt. Nghiên cứu các quá trình sạc và xả và các quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin trong môi trường đoạn nhiệt theo các chu kỳ lão hóa theo chu kỳ khác nhau và nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình lão hóa theo chu kỳ đến các đặc tính nhiệt của pin.

1 Kiểm tra

Pin sử dụng pin gói mềm với lithium coban oxit (LCO) làm điện cực dương và các vi cầu carbon mesophase (CMS) làm điện cực âm, có dung lượng 6,1 Ah và điện áp làm việc 3,6 V

1.1 Kiểm tra hiệu suất điện hóa

Kiểm tra năng lực

Nhiệt độ thử nghiệm là (25 ± 5) ℃, và sử dụng hệ thống thử nghiệm sạc và xả để thử nghiệm. Pin được sạc đến 4,2 V ở dòng điện 0,1 C, sau đó chuyển sang sạc điện áp không đổi với dòng điện đầy đủ nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 C và để yên trong 10 phút; Xả pin ở dòng điện không đổi từ 0,1 C đến 2,75 V và lặp lại chu kỳ sạc và xả ba lần để đạt được dung lượng xả là 6,1 Ah.

Kiểm tra vòng lặp

Ở nhiệt độ môi trường (25 ± 5) ℃, sạc pin ở dòng điện từ 0,5 C đến 4,1 V, sau đó chuyển sang điện áp không đổi cho đến khi dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 C, để yên trong 10 phút, sau đó xả pin ở dòng điện không đổi từ 1 C đến 2,75 V. Thực hiện tuần hoàn trong 500, 1000 và 1500 chu kỳ theo hệ thống này.

Kiểm tra điện trở bên trong DC

Ở nhiệt độ môi trường (25 ± 5) ℃, xả pin ở dòng điện không đổi 0,5 C và tiến hành thử nghiệm điện trở bên trong DC liên tục sau mỗi 12 phút xả (DOD 10%). Sử dụng dòng điện 1,5 C cho lần xả xung 10 giây, các giá trị điện áp trước và tại giây thứ 5 của lần xả xung được lấy để tính điện trở bên trong DC R của pin ở các trạng thái sạc khác nhau.

1.2 Kiểm tra đặc tính nhiệt của pin

Kiểm tra nhiệt dung riêng

Tiến hành thử nghiệm nhiệt dung riêng của pin trong một nhiệt lượng kế gia tốc. Pin luôn ở trong môi trường đoạn nhiệt, được làm nóng bằng một bộ phận gia nhiệt công suất không đổi và đường cong nhiệt độ của pin theo thời gian được ghi lại. Tốc độ tăng nhiệt độ của pin ở trạng thái đoạn nhiệt được thu được bằng cách khớp tuyến tính đường cong. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, hãy lấy hai mẫu pin và lấy giá trị trung bình của hai phép thử.

Kiểm tra sinh nhiệt

Đặt pin mới hoặc pin đã qua sử dụng vào nhiệt lượng kế gia tốc, cân bằng nhiệt độ giữa pin và buồng đoạn nhiệt, và khởi động hệ thống sạc và xả. Sạc và xả được thực hiện trong môi trường đoạn nhiệt ở các dòng điện hoạt động khác nhau, và nhiệt độ bề mặt của pin và đường cong điện áp pin theo thời gian trong quá trình sạc và xả được thu thập

Kiểm tra nhiệt độ thoát ra

Tiến hành thử nghiệm chạy trốn nhiệt trên pin ở 100% SOC trong một nhiệt lượng kế gia tốc, chạy chế độ HWS ở trạng thái đoạn nhiệt để làm nóng pin và đồng thời phát hiện tốc độ tự làm nóng của pin. Khi tốc độ tự làm nóng của pin ≥ 0,02 ℃/phút, thì được coi là đã xảy ra phản ứng tự làm nóng bên trong pin. Thiết bị dừng làm nóng chủ động và chuyển sang chế độ đoạn nhiệt, theo nhiệt độ tăng của pin cho đến khi xảy ra chạy trốn nhiệt. Đồng thời thu thập nhiệt độ bề mặt của pin và đường cong biến thiên của điện áp pin theo thời gian trong quá trình chạy trốn nhiệt.

2 Kết luận

Quá trình sinh nhiệt và hành vi mất kiểm soát nhiệt trong quá trình sạc và xả của pin LCO / CMS đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế gia tốc đoạn nhiệt. Chúng tôi đã nghiên cứu hành vi sinh nhiệt của pin ở các tốc độ sạc và xả khác nhau và phân tích tác động của dòng điện làm việc và lão hóa theo chu kỳ lên các đặc tính sinh nhiệt của pin. Với quá trình lão hóa theo chu kỳ của pin, điện trở trong và mất dung lượng của pin tăng lên, và tốc độ sinh nhiệt sạc và xả trung bình và tổng nhiệt sinh ra của pin đều tăng.

So sánh hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin trước và sau khi tuần hoàn, người ta thấy rằng nhiệt độ bắt đầu của quá trình tự làm nóng tăng nhẹ sau khi lão hóa tuần hoàn, trong khi nhiệt độ bắt đầu của quá trình mất kiểm soát nhiệt về cơ bản vẫn không đổi. Tuy nhiên, thời gian từ khi tự làm nóng đến khi mất kiểm soát nhiệt của pin đã được rút ngắn. Đối với hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin, không chỉ cần chú ý đến các điểm nhiệt độ chính như nhiệt độ bắt đầu của quá trình tự làm nóng và nhiệt độ mất kiểm soát nhiệt, mà còn phải đo chính xác tốc độ sinh nhiệt và thời gian của quá trình mất kiểm soát nhiệt, để đánh giá hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin trong toàn bộ vòng đời của chúng.

Bằng cách phân tích những thay đổi về nhiệt lượng tỏa ra và tốc độ tỏa ra trong quá trình sạc và xả pin theo các chu kỳ lão hóa khác nhau, tác động của sự thay đổi entropy và enthalpy lên pin được phân tích. Những thay đổi về thông số nhiệt động được sử dụng như một phương pháp thử nghiệm không phá hủy để phản ánh mức độ xuống cấp của pin và đánh giá tình trạng sức khỏe của pin.

2 Cell pin

Nhìn chung, quy trình sản xuất pin lithium-ion bao gồm các bước như trộn vật liệu điện cực dương và âm, phủ, cán, cắt, quấn hoặc xếp chồng, hàn tai điện cực, phun chất lỏng, niêm phong, tạo hình, xả và tách dung lượng. Mỗi quy trình này có thể làm tăng điện trở bên trong của pin hoặc đoản mạch, dẫn đến các vấn đề về an toàn.

Ví dụ, tỷ lệ dung lượng không chính xác giữa điện cực dương và điện cực âm có thể gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong, do lắng đọng một lượng lớn lithium kim loại trên bề mặt điện cực âm; Độ đồng đều không đủ của bùn có thể gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong, do phân bố không đều các hạt hoạt động dẫn đến thay đổi đáng kể về thể tích của điện cực âm trong quá trình sạc và xả, dẫn đến kết tủa lithium hoặc do điện trở bên trong tăng lên do bùn quá mịn;

Kiểm soát chất lượng lớp phủ kém cũng có thể gây ra tình trạng bong tróc các chất hoạt động hoặc chập mạch bên trong. Trong quá trình hàn, hàn ảo (giữa các mảnh điện cực dương và âm với tai, giữa mảnh điện cực dương và nắp, giữa mảnh điện cực âm và vỏ, v.v.), bụi vật liệu, giấy màng ngăn nhỏ hoặc không được đệm đúng cách, lỗ trên màng ngăn và gờ không được làm sạch đều có thể gây ra mối nguy hiểm về an toàn.

Ngoài ra, chất lượng hình thành màng SEI trong bước hình thành trực tiếp quyết định hiệu suất tuần hoàn và an toàn của pin, ảnh hưởng đến độ ổn định chèn lithium và độ ổn định nhiệt của pin. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành màng SEI bao gồm các loại vật liệu cacbon điện cực âm, chất điện phân và dung môi, việc kiểm soát mật độ dòng điện, nhiệt độ và áp suất trong quá trình hình thành. Bằng cách lựa chọn vật liệu phù hợp và điều chỉnh các thông số của quá trình hình thành, chất lượng hình thành màng SEI có thể được cải thiện, do đó nâng cao hiệu suất an toàn của cell pin.

3 An toàn nhiệt

3.1 Hệ thống quản lý pin BMS

Hệ thống quản lý pin (BMS) được kỳ vọng cao trong việc sử dụng pin điện. Hệ thống quản lý cần quản lý pin và tính nhất quán của pin để đạt được khả năng lưu trữ năng lượng tối đa, hiệu suất khứ hồi và an toàn trong các điều kiện khác nhau (nhiệt độ, độ cao, tốc độ tối đa, trạng thái sạc, tuổi thọ chu kỳ, v.v.). BMS bao gồm một số mô-đun phổ biến: bộ thu thập dữ liệu, đơn vị truyền thông và mô hình đánh giá trạng thái pin (SOC, SOH, SOP, v.v.). Với sự phát triển của pin điện, ngày càng có nhiều yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với khả năng quản lý của BMS. Bằng cách bổ sung một số mô-đun an toàn, chẳng hạn như quản lý nhiệt và giám sát điện áp cao, dự kiến ​​sẽ cải thiện tính an toàn và độ tin cậy của pin điện trong quá trình sử dụng

3.2 Sự thoát nhiệt

Sau khi pin bị mất nhiệt, nó có thể gây ra hậu quả phá hoại như bốc khói, bắt lửa và nổ, gây nguy hiểm cho sự an toàn cá nhân của người dùng. Ngay cả khi phương pháp cấu hình an toàn nhất về mặt lý thuyết được chọn, thì vẫn chưa đủ để mang lại cho mọi người sự an tâm. Cho dù thiết kế và sản xuất cell pin có hợp lý đến đâu, thì cũng không thể tránh khỏi những tình huống bất ngờ trong quá trình sử dụng. Chỉ có thiết kế tích hợp pin hợp lý mới có thể giúp ngăn chặn tổn thất trong trường hợp cell pin gặp sự cố

4 Lạm dụng pin

Pin lithium ion hoàn hảo ngay cả trong quá trình tích hợp đã đề cập trước đó và rất khó để tránh lạm dụng trong điều kiện vận hành thực tế của người dùng. Hệ thống sạc và xả (sạc quá mức và xả), nhiệt độ môi trường ( buồng nhiệt độ ), các điều kiện khác ( thủng đinh , đè bẹp, ngắn mạch bên trong ) và các điều kiện thử nghiệm độ ẩm môi trường mới được bổ sung (ngâm nước biển) đều là lý do gây ra các vấn đề an toàn do lạm dụng.

Sạc quá mức có thể gây ra bẫy trường tinh thể của vật liệu hoạt động ở điện cực dương, cản trở kênh khử xen kẽ ion lithium, gây ra sự gia tăng đột ngột điện trở bên trong, tạo ra một lượng lớn nhiệt Joule và làm giảm khả năng xen kẽ lithium của vật liệu hoạt động ở điện cực âm, dẫn đến sự phân nhánh và ngắn mạch của lithium. Nhiệt độ môi trường quá nóng có thể dẫn đến các phản ứng dây chuyền bên trong pin lithium-ion, bao gồm cả sự tan chảy của bộ tách, phản ứng giữa vật liệu hoạt động và chất điện phân, sự phân hủy của điện cực dương/màng SE/dung môi và phản ứng giữa điện cực âm nhúng lithium và chất kết dính. Châm cứu và nén đều gây ra ngắn mạch bên trong cục bộ, dẫn đến sự tích tụ một lượng nhiệt lớn ở vùng ngắn mạch và gây ra sự lạm dụng nhiệt.

5 Kết luận

Hiệu suất an toàn của pin điện quyết định thị trường và tương lai của pin lithium-ion trong lĩnh vực điện. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất an toàn của pin điện chạy qua toàn bộ vòng đời của pin điện từ khi lựa chọn cell pin cho đến khi kết thúc sử dụng. Do đó, các lý do rất phức tạp và đa dạng, với mức độ phong phú. Năng lượng quỹ đạo nội tại, cấu trúc tinh thể và các đặc tính của chính vật liệu quyết định hiệu suất an toàn nội tại của cell pin; Mức độ hoàn hảo, tự động hóa và các điều kiện hình thành trong từng quy trình sản xuất cell pin quyết định hiệu suất an toàn của chúng, ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt của chúng;

Thật khó để tránh lỗi sản xuất và điều kiện làm việc khắc nghiệt đối với pin. Trong thực tế này, thiết kế BMS và an toàn trong tích hợp pin, bao gồm thiết kế các kế hoạch dự phòng cho tình trạng mất kiểm soát nhiệt của pin, đặc biệt quan trọng. Tóm lại, nghiên cứu về các vấn đề an toàn của pin điện lithium-ion là một nhiệm vụ dài và gian khổ. Chỉ bằng cách kết hợp lý thuyết với thực hành và liên tục đổi mới, họ mới có thể thực sự đạt được vinh quang trong lĩnh vực ứng dụng năng lượng cao/công suất cao.