Các điều kiện bên ngoài khắc nghiệt như điện, máy móc và nhiệt là những yếu tố quan trọng gây ra các vấn đề về an toàn trong pin lithium-ion, trong khi các vấn đề về an toàn như đánh lửa và nổ trong pin lithium-ion thường là do sự mất kiểm soát nhiệt.

Ví dụ, sạc quá mức, ngắn mạch bên trong, v.v. có thể dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt và gây ra các vấn đề về an toàn. Khi vượt quá giới hạn an toàn trong pin, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin có thể dễ dàng xảy ra do các yếu tố như độ ổn định nhiệt kém của bộ tách và khả năng xảy ra phản ứng oxy hóa mạnh giữa chất điện phân và điện cực dương.

Vì vậy, tính an toàn của pin lithium-ion trong môi trường nhiệt là một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu về tính an toàn của pin lithium-ion. Bài viết này sẽ khám phá một phương pháp thử nghiệm mới để đánh giá tính an toàn của pin lithium-ion khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ cao.

1. Phương pháp thử nghiệm

Hiện nay, có ba loại tiêu chuẩn chính để đánh giá độ an toàn của pin lithium-ion: tiêu chuẩn quốc tế (như tiêu chuẩn IEC), tiêu chuẩn quốc gia hoặc khu vực (như tiêu chuẩn JIS, GB, EN, v.v.) và tiêu chuẩn công nghiệp (như tiêu chuẩn UL, IEEE, SJ, v.v.). Trong số các tiêu chuẩn hiện có này, các phương pháp thử nghiệm được chỉ định ở nhiệt độ cao chủ yếu bao gồm thử nghiệm lạm dụng nhiệt, thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ, thử nghiệm đặt ở nhiệt độ cao, v.v.

(1) Thử nghiệm lạm dụng nhiệt

Phương pháp thử nghiệm lạm dụng nhiệt được chỉ định trong IEC62133:2002 là ổn định pin đã sạc đầy ở nhiệt độ phòng và đặt pin vào lồng ấp đối lưu không khí tự nhiên hoặc tuần hoàn. Lồng ấp làm nóng đến 130 ℃± 2 ℃ với tốc độ 5 ℃/phút ± 2 ℃/phút. Sau khi duy trì nhiệt độ này trong 10 phút, hãy dừng thử nghiệm và kiểm tra xem pin có bị cháy hoặc phát nổ không. Thử nghiệm lạm dụng nhiệt của IEC62133 đã được các tiêu chuẩn trong và ngoài nước như JISC8712, YD1268 và UL1642 áp dụng.

Thử nghiệm lạm dụng nhiệt thường được sử dụng để đánh giá độ an toàn của các cell pin khi đặt trong điều kiện nhiệt độ cao. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy và mẫu không được sạc hoặc xả

(2) Thử nghiệm chu kỳ nhiệt

Phương pháp thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ được chỉ định trong IEC62281:2004 là đặt cell pin hoặc cụm pin trong môi trường 75 ° C trong ít nhất 6 giờ, sau đó đặt trong môi trường 40 ° C trong ít nhất 6 giờ. Thời gian chuyển tiếp giữa các nhiệt độ khác nhau không quá 30 phút và tổng cộng thực hiện 10 chu kỳ nhiệt độ. Sau khi thử nghiệm, mẫu không được bắt lửa hoặc phát nổ và không bị mất chất lượng hoặc điện áp. Thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ của IEC62281 có nguồn gốc từ UN38.3 và phương pháp thử nghiệm cũng được các tiêu chuẩn trong và ngoài nước như EN62281 áp dụng.

Kiểm tra chu kỳ nhiệt độ thường được sử dụng để mô phỏng tính an toàn của các cell pin hoặc bộ pin khi có nhiều lần thay đổi nhiệt độ xen kẽ trong quá trình vận chuyển. Trong quá trình kiểm tra, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy và mẫu không được sạc hoặc xả trong quá trình kiểm tra

(3) Thử nghiệm giảm ứng suất ở nhiệt độ cao

Phương pháp thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao được chỉ định trong lEC62133 để giảm ứng suất nhiệt độ cao (khả năng chịu nhiệt độ cao của vỏ đúc) là đặt bộ pin trong môi trường có nhiệt độ 70 ℃± 2 ℃ trong 7 giờ. Sau khi thử nghiệm, vỏ bộ pin không được biến dạng vật lý làm lộ các thành phần bên trong. Thử nghiệm giảm ứng suất của IEC62133 đã được các tiêu chuẩn như EN62133 và JISC8712 áp dụng.

Thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao thường được sử dụng để đánh giá khả năng của vỏ pin duy trì tính toàn vẹn trong môi trường nhiệt độ cao. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu không được sạc hoặc xả. Kết hợp với các thử nghiệm liên quan đến nhiệt độ cao trong các tiêu chuẩn pin lithium ion trong và ngoài nước, thử nghiệm lạm dụng nhiệt nhằm mục đích đánh giá khả năng chịu nhiệt độ cao của cell pin.

Chu kỳ nhiệt độ là để mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình vận chuyển, Thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao chỉ được sử dụng để đánh giá khả năng chịu nhiệt độ cao của vỏ đúc. Trong các thử nghiệm này, các mẫu ở trạng thái được sạc đầy và không được sạc hoặc xả trong quá trình thử nghiệm.

2. Thử nghiệm nhiệt độ cao

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng các thử nghiệm nhiệt độ cao hiện có trong tiêu chuẩn không tính đến các vấn đề an toàn ở nhiệt độ cao mà pin lithium-ion sử dụng trong ô tô phải đối mặt và pin lithium-ion không tính đến sự gia tăng nhiệt độ do sạc và xả trong quá trình thử nghiệm.

Xét đến thói quen sử dụng thực tế của người dùng (khi sạc và để trong xe), kết hợp với nhiệt độ cao và thời gian giữ trong xe, đồng thời tính đến sự gia tăng nhiệt độ do pin lithium-ion gây ra trong quá trình sạc và xả, một phương pháp thử nghiệm an toàn pin lithium-ion mới được đề xuất để đánh giá tính an toàn của pin lithium-ion được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao.

Phương pháp cụ thể như sau: Đặt mẫu pin đã sạc đầy vào hộp thử nghiệm nhiệt độ cao, với nhiệt độ được đặt thành T. Sau khi nhiệt độ bề mặt của mẫu ổn định trong 7 giờ, mẫu phải đáp ứng một trong các yêu cầu sau

• Cắt mạch điện mà không gây cháy, nổ hoặc rò rỉ
• Không cắt mạch, tiếp tục chu kỳ sạc xả theo phương pháp sạc và xả đã chỉ định trong quá trình thử nghiệm nhiệt độ cao, mẫu không được cháy, không nổ và không rò rỉ.

Trong đó, giá trị nhiệt độ T là giá trị lớn nhất do nhà sản xuất chỉ định cho nhiệt độ giới hạn trên khi sạc và xả của bộ pin, nhiệt độ giới hạn trên khi sạc và xả của pin và 80℃.

Trong quá trình thử nghiệm sử dụng nhiệt độ cao được đề cập ở trên, cần chú ý những điểm sau:

① Do cần có một khoảng thời gian nhất định để cân bằng nhiệt nên thời điểm bắt đầu cho thời gian thử nghiệm 7 giờ không phải là khi buồng thử nghiệm đạt đến nhiệt độ T mà là khi nhiệt độ bề mặt mẫu đạt đến T;

② Nếu chu kỳ sạc và xả của pin lithium-ion không hoàn thành trong vòng 7 giờ, thời gian thử nghiệm phải được kéo dài cho đến khi kết thúc chu kỳ này;

③ Do quá trình truyền nhiệt tăng tốc do luồng không khí trong buồng thử nghiệm, dẫn đến mất nhiệt bề mặt của pin trong quá trình sạc và xả, nên có thể cần phải thực hiện các biện pháp như giảm tốc độ gió để giảm thiểu tác động lên mẫu càng nhiều càng tốt;

④ Nếu mạch bảo vệ của mẫu bị ngắt trong quá trình sạc và xả (thay vì ngắt ngay sau khi nhiệt độ cân bằng), chỉ cần tiếp tục duy trì nhiệt độ cao cho đến khi kết thúc thử nghiệm (tổng cộng 7 giờ) và pin không gặp nguy hiểm.