2.1 Hiện tượng cháy

Khi được làm nóng từ bên dưới, quá trình đốt cháy thông thường của pack pin lithium-ion có thể được chia thành sáu giai đoạn sau dựa trên mức độ nghiêm trọng của quá trình đốt cháy.

(1) Giai đoạn gia nhiệt. Sau khi lò nung liên tục làm nóng điện cực âm của cụm pin lithium trong một khoảng thời gian, khói sẽ dần hình thành trên bề mặt pin, một phần trong số đó xuất phát từ hư hỏng của điện cực dương của cell pin lithium. Điều này là do nắp điện cực dương của cell pin có thể được nhìn thấy bị rửa trôi bởi áp suất không khí tại địa điểm thử nghiệm hoặc trong video. Điều này chỉ ra rằng một phản ứng dữ dội đã xảy ra bên trong pin do quá trình gia nhiệt liên tục, tạo ra một lượng lớn khí, sau đó là một lượng nhỏ chất điện phân thoát ra từ điện cực dương của pin, như thể hiện trong (a).

(2) Giai đoạn cháy. Trong thí nghiệm, người ta quan sát thấy pin tạo ra một lượng khói lớn trước khi đánh lửa, trong đó có nhiều chất dễ cháy, bao gồm cả những chất sinh ra từ phản ứng bên trong của pin, cũng như những chất sinh ra từ quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu đóng gói của bộ pin. Sau khi nhiệt tích tụ đến một mức độ nhất định, quá trình đánh lửa xảy ra, như thể hiện ở (b).

(3) Giai đoạn đánh lửa. Đối với điều kiện thử nghiệm gia nhiệt từ dưới lên, phần giữa của pin lithium nhận được nhiệt tập trung nhất, như thể hiện trong ô gạch ngang màu đỏ ở Hình 4 (a). Do đó, phần giữa của bộ pin bắt đầu được đánh lửa trên một diện tích lớn, sau đó lan ra các khu vực xung quanh. Vật liệu bên trong cell pin cũng bị phun ra, như thể hiện trong (c).

(4) Giai đoạn phun. Sau khi bề mặt của cụm pin lithium bắt lửa, nhiệt độ tăng đột ngột, khiến van an toàn của các cell pin lần lượt mở ra, sau đó khí dễ cháy được phun ra ngoài, như thể hiện ở (d), kèm theo chất điện phân bắn tung tóe khắp nơi, như thể hiện ở (e). Ở giai đoạn này, hiện tượng dễ thấy là cháy dữ dội và tiếng nổ dữ dội. Các cell pin cũng bắn tung tóe khắp nơi dưới áp suất bên trong, khiến việc thu thập các thay đổi nhiệt độ trong quá trình thử nghiệm trở nên khó khăn. Cặp nhiệt điện được bố trí trước khi thử nghiệm dễ bị hư hỏng hoặc di chuyển do vụ nổ này và không thể đảm bảo đo nhiệt độ thay đổi theo thời gian thực tại cùng một vị trí.

(5) Giai đoạn đốt cháy tổng thể. Khi van an toàn của hầu hết các cell pin lithium được xả mở, cụm pin lithium sẽ bước vào giai đoạn đốt cháy tổng thể, tại đó chiều cao ngọn lửa cao hơn và thể tích ngọn lửa lớn hơn, như thể hiện ở (f).

(6) Giai đoạn suy yếu. Sau khi vật liệu dễ cháy bên trong pin dần dần bị đốt cháy, ngọn lửa sẽ tắt.

Khi bộ pin lithium được làm nóng từ bên cạnh, quá trình đốt cháy được thể hiện trong hình và toàn bộ giai đoạn đốt cháy gần giống với điều kiện làm nóng dưới cùng, bao gồm đánh lửa, đánh lửa, phun và các quá trình khác. Theo quan điểm về thời gian đánh lửa, ngoại trừ việc giảm đáng kể thời gian đánh lửa trong Thử nghiệm 2, hai phương pháp làm nóng trong bài viết này không có tác động đáng kể đến thời gian đánh lửa. Tuy nhiên, sau khi tăng gấp đôi công suất, từ 1 kW lên 2 kW, chẳng hạn, so với Thử nghiệm 3 và Thử nghiệm 1, và Thử nghiệm 5 và Thử nghiệm 4, ở cùng một vị trí làm nóng, việc tăng công suất sẽ rút ngắn đáng kể thời gian đánh lửa.

Như thể hiện ở (a), mặt bên của bộ pin lithium được làm nóng bằng nguồn nhiệt bức xạ bên ngoài. Sau một khoảng thời gian, bộ pin gần nguồn nhiệt nhất sẽ bắt lửa trước, như thể hiện ở (b), sau đó cháy và lan từ phải sang trái.

Van an toàn của cell pin gần ngọn lửa nhiệt độ cao bị đẩy mở, tạo ra khói trắng, như thể hiện ở (c), kèm theo hiện tượng tia lửa bắn ra, như thể hiện ở (d), Điều này cho thấy chất điện phân bên trong cell pin bị phun ra ngoài. Ngọn lửa trên bề mặt của cụm pin dần tắt trong quá trình lan truyền, trong khi pin chưa bắt lửa vẫn đang trải qua phản ứng dữ dội bên trong.

Lúc này, có thể quan sát thấy một lượng lớn khói trắng, như thể hiện ở (f), là khí được tạo ra bởi phản ứng bên trong của cell pin. Khi gặp nhiệt độ cao, tia lửa hoặc năng lượng đánh lửa tương tự, pin sẽ bị đánh lửa lại, như thể hiện ở (g), cho đến khi ngọn lửa tắt hoàn toàn. Từ kết quả thử nghiệm, có thể thấy rằng khi mặt bên của cụm pin lithium quá nóng, cường độ cháy của pin sẽ giảm dần theo khoảng cách tăng dần và hiện tượng đánh lửa lại ngắt quãng sẽ xảy ra nhiều lần.

Các cell pin lithium được kết nối theo chuỗi và song song để tạo thành một cụm pin trong quá trình sử dụng và mỗi cell pin được quản lý thông minh thông qua Hệ thống quản lý pin (BMS). Sau khi được đánh lửa bằng nguồn nhiệt bức xạ bên ngoài, cụm pin sẽ trải qua quá trình cháy nổ và dữ dội. Một số cell pin sẽ tách khỏi cụm pin dưới áp suất tạo ra bởi các phản ứng bên trong, bắn tung tóe khắp nơi và vật liệu màng ngăn bên trong cũng sẽ tràn ra ngoài.

Do thiết kế van an toàn điện cực dương của cell pin, khi khí được tạo ra bởi các phản ứng hóa học bên trong, áp suất sẽ rò rỉ ra ngoài qua van an toàn, do đó làm giảm nguy cơ hư hỏng thành ngoài của cell pin do áp suất bên trong.

Đối với một bộ pin lithium, nếu một trong các pin bị đánh lửa do nhiệt hoặc bắt lửa do các yếu tố bên ngoài, các cell pin lithium xung quanh sẽ phải chịu sự truyền nhiệt từ thành pin, hoặc cặn nhiệt độ cao phun ra sẽ cháy, hoặc bức xạ nhiệt do ngọn lửa trần tạo ra sẽ đốt cháy các cell pin xung quanh, mở rộng thêm vùng đánh lửa mà không làm đám cháy lan rộng ngay lập tức do thành pin nổ. Điều này chỉ ra rằng so với mặt bên của bộ pin lithium, đáy pin (điện cực âm) của nó cần được bảo vệ tốt hơn để chống cháy.

Quá trình lan truyền cháy của bộ pin lithium trong điều kiện quá nhiệt trước tiên thay đổi theo nhiệt độ của pin. Bằng cách đo lường sự thay đổi và phân bố nhiệt độ bên trong bộ pin, có thể phân tích định lượng hành vi cháy của bộ pin lithium. Điều này có ý nghĩa to lớn đối với cách kiểm soát đám cháy tốt hơn và phát triển các công nghệ chữa cháy mới và hiệu quả.

2.2 Phân bố nhiệt độ

Sự thay đổi nhiệt độ bên trong của một bộ pin lithium khi được làm nóng ở đáy. Từ những thay đổi trong đường cong lịch sử nhiệt độ, có thể quan sát thấy ba giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển nhiệt độ mất kiểm soát của pin, điều này phù hợp với kết quả thu được từ phân tích hiện tượng cháy ở phần trước.

Trong giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ tăng chậm và có thể thấy nhiệt độ của T 1 tăng nhanh hơn các nhiệt độ khác. Vị trí đo được của nó nằm ngay tại khu vực trung tâm của bộ pin, nơi nó nhận được nhiều nhiệt nhất. Sau khi van an toàn dương của cell pin được mở, khói trắng bốc lên, cho biết phản ứng dữ dội đang xảy ra bên trong cell pin, tạo ra khí.

Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, khí dễ cháy được tạo ra sẽ kích hoạt quá trình đánh lửa của cell pin. Tại thời điểm này, đường cong nhiệt độ cho thấy một điểm ngoặt hướng lên mạnh. Tại thời điểm đánh lửa, nhiệt độ của T 1 là khoảng 139 ℃, đồng thời, nhiệt độ tại vị trí T 3 ngay lập tức tăng lên, nguyên nhân là do sự lan truyền của ngọn lửa. So với các vị trí T 2 và T 3, khoảng cách theo đường thẳng giữa T 4 và T 1 là xa nhất. Nếu tính toán dựa trên kích thước tối đa của cell pin, khoảng cách giữa T 4 và T 1 là khoảng 99 mm, chênh lệch thời gian đánh lửa là 89 giây và tốc độ lan truyền cháy là khoảng 1,1 mm/giây.

Sau khi một bộ pin lithium bắt lửa, nó sẽ trải qua các hiện tượng như phun và nổ, trong đó nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng và cuối cùng đi vào giai đoạn đốt cháy toàn bộ. Nhiệt độ đốt cháy tối đa của bộ pin vượt quá 700 ℃.

Khi mặt bên của bộ pin lithium được làm nóng, vị trí đo của cặp nhiệt điện đã được điều chỉnh, sắp xếp từ gần đến xa so với vị trí nguồn nhiệt bức xạ và đường cong lịch sử nhiệt độ điển hình được đo trong thí nghiệm đã được điều chỉnh.

So với điều kiện gia nhiệt dưới đáy, có một số khác biệt đáng kể về phân bố nhiệt độ khi mặt bên của bộ pin lithium được gia nhiệt. Mặc dù có một số đỉnh nhiệt độ, điều này có nghĩa là nó đang ở trạng thái cháy ngọn lửa trần tại thời điểm này, nhưng sự phân bố đỉnh nhiệt độ ở chế độ gia nhiệt dưới đáy lại diễn ra trong một khoảng thời gian dài hơn. Điều này chủ yếu là do điều kiện gia nhiệt của bộ pin lithium khác nhau trong hai điều kiện làm việc khác nhau.

Khi đáy được làm nóng, điện cực âm của cell pin lithium liên tục được làm nóng và hầu hết các cell pin được làm nóng trực tiếp sẽ đẩy nhanh các phản ứng hóa học trong khoảng thời gian tập trung hơn. Sau khi mất kiểm soát nhiệt, chúng sẽ bắt lửa và cuối cùng biểu hiện hiện tượng cháy toàn bộ. Tuy nhiên, khi được làm nóng ở bên cạnh, vị trí xa nguồn nhiệt hơn, chẳng hạn như T 4, sẽ nhận được ít nhiệt hơn và nhiệt độ sẽ không tăng đáng kể cho đến khi kết thúc quá trình đốt cháy, Điều này chủ yếu là do khi cụm pin được làm nóng ở bên cạnh, nó biểu hiện kiểu cháy lan từ phải sang trái và sẽ có hiện tượng dập tắt và đánh lửa lại ở giữa. Nếu không có quá trình gia nhiệt bên ngoài liên tục, hình thức cháy này khó đạt được sự lan tỏa cháy liên tục.

Ngoài ra, có thể quan sát thấy nhiệt độ đánh lửa tại T 1 trong quá trình đánh lửa là khoảng 90 ℃, thấp hơn khi điện cực âm dưới cùng được làm nóng và nhiệt độ cao nhất sau khi đánh lửa cũng vào khoảng 550 ℃, thấp hơn đáng kể so với khi làm nóng đáy. Kết quả phân tích nhiệt độ trên cho thấy so với gia nhiệt bên, điện cực âm ở dưới cùng của bộ pin lithium bị cháy nghiêm trọng hơn do nhiệt độ tăng đột biến khi được làm nóng, biểu hiện cụ thể ở diện tích lan truyền cháy lớn hơn và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn.

Nhiệt độ thay đổi trong điều kiện làm việc 3, so với điều kiện làm việc 1, đều là gia nhiệt từ dưới lên, điểm khác biệt là công suất gia nhiệt đã tăng lên 2 kW. Đồng thời, ở giữa quá trình đốt cháy, sương mù nước được bật để dập tắt đám cháy và kiểm tra khả năng dập lửa và làm mát của nó. Có thể thấy rằng khi công suất gia nhiệt tăng lên, thời gian đánh lửa được đẩy nhanh hơn. Lý do rất rõ ràng. Nhiệt bên ngoài nhận được càng cao, phản ứng hóa học bên trong cell pin sẽ càng mạnh và sự mất kiểm soát nhiệt sẽ dẫn đến thời gian đánh lửa ngắn hơn.

Tuy nhiên, trong quá trình đánh lửa, không có sự khác biệt đáng kể về nhiệt độ giữa T 1 và điều kiện vận hành công suất thấp hơn, mà là giữa 120 và 139 ℃. Ngoài ra, nhiệt độ tại các vị trí T 2, T 3 và T 4 trong điều kiện vận hành 3 thấp hơn nhiệt độ ở công suất gia nhiệt 1 kW. Điều này có thể chỉ ra rằng dưới tác động của nhiệt bức xạ bên ngoài, bộ pin lithium sẽ chỉ bắt lửa và cháy khi nhiệt độ tăng đến một phạm vi cụ thể.

Cần lưu ý rằng nhiệt độ đánh lửa được liệt kê trong Bảng 2 có thể không phải là nhiệt độ đánh lửa tối thiểu thu được do điểm thu thập bị hạn chế. Tuy nhiên, ở một mức độ nào đó, điều này có thể chứng minh sự cần thiết của việc theo dõi thời gian thực các thay đổi về nhiệt độ tăng của từng cell pin thông qua hệ thống quản lý pin. Bằng cách thiết lập ngưỡng nhiệt độ, khi nhiệt độ cục bộ tăng của cụm pin lithium vượt quá giá trị này, các biện pháp cảnh báo và phòng ngừa sẽ được khởi tạo để ngăn toàn bộ cụm pin bắt lửa do nhiệt độ tăng.

Toàn bộ thời gian cháy là 218 giây từ lúc bắt đầu đánh lửa ở t = 780 giây đến lúc bắt đầu phun sương nước ở t = 998 giây. Sau khi phun sương nước để dập tắt đám cháy, nhiệt độ ở T 3 và T 4 giảm nhanh chóng. Sau khi phun liên tục trong 30 giây, nhiệt độ giảm xuống dưới 100 ℃. Sau khi ngừng phun, không xảy ra cháy lại. Kết quả thực nghiệm cho thấy phun sương nước có thể dập tắt đám cháy và làm mát hiệu quả, ngăn ngừa cháy bùng phát trở lại.

So với chữa cháy bằng khí, sương nước có thể là một chất chữa cháy tốt có thể liên tục làm mát pin lithium-ion khi cháy. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng trong các ứng dụng thực tế, vết nước do sương nước tạo ra có thể gây hư hỏng thiết bị rộng rãi và hư hỏng thứ cấp. Ngoài ra, sương nước có đường kính giọt lớn cũng có thể gây ra hiện tượng đoản mạch hoặc phóng điện pin, làm trầm trọng thêm tình trạng mất kiểm soát nhiệt và tăng quy mô cháy. Do đó, việc lựa chọn phương pháp chữa cháy cụ thể cần được phân tích dựa trên đối tượng chữa cháy. Và cơ sở cho các ứng dụng cụ thể này là dữ liệu thực nghiệm, vì vậy rất cần phải tiến hành thêm các thí nghiệm chữa cháy quy mô lớn hơn, đặc biệt là các thí nghiệm chữa cháy quy mô lớn, để nghiên cứu các đặc tính cháy của cụm pin lithium và kiểm tra hiệu quả của các phương pháp chữa cháy khác nhau.

3 Kết luận

Bài viết này tiến hành thử nghiệm đốt cháy trên bộ pin lithium-ion 18650 ba thành phần được tạo ra bằng cách nung nóng và thu được những kết luận sau.

(1) So với quá nhiệt ở bên cạnh, khi điện cực âm ở đáy của bộ pin lithium quá nhiệt, mức độ cháy sẽ nghiêm trọng hơn và pin sẽ liên tục phun và cháy. Đối với quá nhiệt ở bên cạnh, cường độ cháy trong bộ pin lithium sẽ yếu đi khi khoảng cách từ nguồn nhiệt tăng lên và sẽ xảy ra hiện tượng đánh lửa lại nhiều lần. Ngoài ra, công suất nguồn nhiệt tăng sẽ rút ngắn thời gian đánh lửa của bộ pin lithium và tăng cường độ cháy của chúng.

(2) Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ thoát nhiệt của điện cực âm dưới cùng của bộ pin lithium ba thành phần khi quá nhiệt là từ 120~139 ℃. Trong những điều kiện này, nhiệt độ cháy tối đa sẽ tăng theo công suất nguồn nhiệt tăng và nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 800 ℃.

(3) Phun sương nước tinh khiết vào bộ pin lithium đang cháy có thể dập tắt đám cháy hiệu quả và giảm nhiệt độ. Phun liên tục có thể làm giảm nhiệt độ pin xuống dưới nhiệt độ tới hạn mà không cần đánh lửa lại. Điều này cho thấy phun sương nước có thể là phương pháp chữa cháy hiệu quả đối với đám cháy pin lithium-ion, nhưng việc áp dụng nó có thể gây ra thiệt hại thứ cấp như ô nhiễm nước và phóng điện ngắn mạch, cần phải lựa chọn cẩn thận dựa trên nhu cầu chữa cháy.