Với sự phổ biến của xe điện năng lượng mới, các vấn đề an toàn của xe điện đang ngày càng được quan tâm. Trong số đó, đặc điểm an toàn của pin lithium là một trong những yếu tố chính đối với sự an toàn của xe điện. Bài viết này lấy pin lithium mềm ba thành phần làm đối tượng nghiên cứu và thông qua nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng, khám phá các đặc điểm an toàn của pin lithium trong các hình dạng đầu nghiền khác nhau, các vị trí nghiền khác nhau và các điều kiện trạng thái sạc ban đầu (SOC) khác nhau.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng hình dạng đầu ép càng sắc và hẹp thì thời gian tăng nhiệt độ đột ngột của pin lithium càng sớm, tổn thất nhiệt độ đột ngột càng lớn và điện trở bên trong tăng càng cao. Vị trí ép càng gần mép dưới của pin lithium thì khả năng tăng nhiệt độ gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt càng cao. Vị trí ép càng gần tai cực thì tổn thất dung lượng và giá trị điện trở bên trong càng lớn. Ngoài ra, SOC của pin lithium càng cao thì khả năng xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, sụt áp càng lớn, tổn thất dung lượng càng lớn và điện trở bên trong càng lớn.

Để hiểu sâu hơn về đặc tính an toàn của pin lithium trong các điều kiện khác nhau, bài viết này cũng thiết lập các mô hình mô phỏng nhiệt và ứng suất cho pin lithium dựa trên nền tảng phần mềm COMSOL và tiến hành mô phỏng nhiệt độ và thay đổi ứng suất của pin lithium trong các điều kiện nghiền khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy các mẫu nhiệt độ và biến dạng của pin lithium sau khi nghiền phù hợp tốt với các thí nghiệm nghiền thực tế.

1 Nguyên lý hoạt động

Khi pin lithium được xả, các electron chảy từ điện cực âm đến điện cực dương thông qua một mạch ngoài, trong khi các ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến điện cực dương. Trong quá trình này, các ion lithium được chuyển qua chất điện phân và đi qua bộ tách để đến điện cực dương. Quá trình này được gọi là phản ứng loại bỏ lithium.

Khi pin lithium được sạc, các electron chảy từ điện cực dương đến điện cực âm thông qua một mạch ngoài, trong khi các ion lithium di chuyển từ điện cực dương đến điện cực âm. Trong quá trình này, các ion lithium được chuyển qua chất điện phân và đi qua bộ tách để đến điện cực âm. Quá trình này được gọi là phản ứng xen kẽ lithium.

Sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium là hiện tượng quá nhiệt, đánh lửa và nổ do sự thay đổi nhanh chóng về tốc độ tăng nhiệt độ tự nhiên của pin do phản ứng dây chuyền giải phóng nhiệt của từng cell. Hiện tượng này có thể do chập mạch bên trong, sạc quá mức, ép, nhiệt độ cao và các lý do khác trong pin. Khi nhiệt độ của pin tăng đến một mức độ nhất định, tốc độ phản ứng hóa học bên trong pin tăng tốc, tạo ra một lượng lớn năng lượng nhiệt, dẫn đến nhiệt độ pin tăng nhanh và cuối cùng dẫn đến sự mất kiểm soát nhiệt của pin. Trong quá trình này, chất điện phân bên trong pin sẽ bị phân hủy, vật liệu điện cực dương và điện cực âm sẽ bị cháy và pin sẽ bắt lửa hoặc phát nổ.

Do đó, khi sử dụng pin lithium, cần chú ý đến vấn đề an toàn, tránh các thao tác bất lợi như sạc quá mức, xả quá mức, bóp, nhiệt độ cao để đảm bảo an toàn và ổn định của pin. Đồng thời, trong quá trình sử dụng, cần thường xuyên kiểm tra tình trạng của pin, phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề để tránh tai nạn an toàn.

2 Pin Lithium bị đè bẹp

Các đối tượng nghiên cứu hiện có chủ yếu bao gồm pin lithium sắt phosphate vỏ vuông và pin lithium hình trụ 18650. Có hai phương pháp nghiên cứu chính: nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng thẳng. Trong nghiên cứu thực nghiệm, có ba phương pháp tải cơ học chính cho pin lithium hình trụ: phương pháp uốn ba điểm, phương pháp nghiền xuyên tâm trục và phương pháp nghiền cục bộ; Các phương pháp tải cơ học chính cho pin lithium hình vuông là phương pháp nghiền cục bộ và phương pháp nghiền tấm phẳng. Các hình dạng chính của đầu nghiền là phẳng, hình cầu, hình bán cầu và hình nón.

3 Buồng thử nghiệm

Buồng thử nghiệm nghiền pin lithium

Có khả năng cung cấp trạng thái nghiền trong các điều kiện khác nhau trong khi ghi lại những thay đổi về đặc điểm an toàn của pin. Thiết bị này thường bao gồm một thiết bị nén, hệ thống thu thập dữ liệu, thiết bị bảo vệ an toàn và các thành phần khác. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một nền tảng thử nghiệm ép để ép pin lithium với các hình dạng, lực và vị trí khác nhau để phân tích những thay đổi về đặc điểm an toàn của pin lithium trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống thu thập dữ liệu sẽ thu thập các thông số đặc điểm an toàn theo thời gian thực như nhiệt độ, điện áp, điện trở trong và dung lượng của pin lithium để giúp các nhà nghiên cứu hiểu được những thay đổi trong pin lithium trong quá trình nghiền. Thiết bị bảo vệ an toàn được sử dụng để bảo vệ sự an toàn của nhân viên và thiết bị trong quá trình thử nghiệm.

Hệ thống thu thập thông số

Hệ thống thu thập bao gồm hệ thống thu thập nhiệt độ, hệ thống thu thập điện áp, hệ thống thu thập điện trở và hệ thống thu thập dung lượng pin. Trong số đó, hệ thống thu thập nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện loại K và mô-đun thu thập dữ liệu nhiệt độ 8 kênh để truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB. Hệ thống thu thập điện áp sử dụng máy biến áp để chuyển đổi tín hiệu và truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB; Hệ thống thu thập điện trở sử dụng phương pháp chia điện áp điện trở để chuyển đổi tín hiệu và truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB; Hệ thống thu thập dung lượng pin sử dụng máy kiểm tra dung lượng pin kali để thử nghiệm và truyền kết quả thử nghiệm đến máy tính phía trên. Toàn bộ hệ thống thu thập đạt được việc thu thập và truyền dữ liệu thông qua mô-đun thu thập dữ liệu và cuối cùng hiển thị và phân tích dữ liệu trên máy tính phía trên.