Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong các loại xe năng lượng mới. Trong những năm gần đây, các vụ tai nạn nổ xe năng lượng mới đã gây ra mối quan tâm và chú ý rộng rãi đến sự an toàn của chúng. Pin lithium-ion có thể cháy và phát nổ trong các điều kiện khắc nghiệt như quá tải, va chạm và nhiệt độ cao, và rất khó để dập tắt.

1. Phân tích quá trình cháy và đặc điểm của pin lithium-ion

Pin lithium-ion chủ yếu bao gồm điện cực dương, điện cực âm, màng ngăn, chất điện phân, vỏ và các thành phần khác. Vật liệu catốt thường là oxit kim loại chuyển tiếp xen kẽ lithium hoặc hợp chất polyanion; Vật liệu anode chủ yếu là than chì. Chất điện phân chủ yếu bao gồm dung dịch hỗn hợp hữu cơ và muối lithium.

Màng ngăn chủ yếu được sử dụng để cô lập vật liệu dương và âm, ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch do electron đi qua và cho các ion trong chất điện phân đi qua. Khi pin được sử dụng, điện cực âm carbon, vật liệu hoạt động dương và chất điện phân sẽ trải qua phản ứng điện hóa hoặc hóa học để giải phóng nhiệt, điều này sẽ khiến nhiệt độ của pin tăng lên và thúc đẩy phản ứng. Trong trường hợp lạm dụng như đoản mạch, nhiệt độ cao, va chạm, v.v., rất dễ gây ra hiện tượng mất nhiệt bên trong pin.

Sự thoát nhiệt nhanh chóng giải phóng năng lượng khiến chất điện phân bị cháy và nhiệt độ của pin tăng nhanh. Bởi vì các thành phần khác của pin lithium, chẳng hạn như điện cực âm Shi Zhao, màng ngăn và điện cực dương, cũng là chất dễ cháy, dẫn đến cháy và thậm chí nổ vật liệu thành phần pin.

Sau khi vỏ pin bị vỡ, không khí và lithium trải qua phản ứng oxy hóa dữ dội, cũng khiến pin bị cháy hoặc thậm chí phát nổ. Khi pin lithium ion cháy, vật liệu dương sẽ phân hủy và giải phóng oxy, quá trình đốt cháy pin cũng sẽ giải phóng các khí dễ cháy như CO; Lượng nhiệt lớn được giải phóng bởi phản ứng bên trong cung cấp năng lượng cho quá trình đốt cháy pin lithium-ion. Những yếu tố này cũng khiến pin lithium cháy ngay cả trong môi trường kín. Một khi đã cháy, rất khó để dập tắt.

2. Phương pháp và thiết bị thử nghiệm

2.1 Bố cục bài kiểm tra

Mặt trước của Buồng thử nghiệm DGBELL được trang bị một cửa sổ quan sát có kích thước 150 mm x 150 mm. Giao diện lắp đặt cặp nhiệt điện được dành riêng ở phía sau buồng, và giao diện lắp đặt cảm biến áp suất được dành riêng ở phía trên và cả hai bên. Trong quá trình thử nghiệm, ba cặp nhiệt điện được lắp đặt ở phía sau buồng, và vị trí lắp đặt cách pin 10 cm. Các cặp nhiệt điện được kết nối với máy ghi không cần giấy.

Ở phần trên của buồng thử nghiệm, một cảm biến áp suất được lắp đặt ở bên trái và bên phải tương ứng, được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu để theo dõi áp suất nổ trong buồng thử nghiệm. Trong quá trình thử nghiệm, nhiệt kế hồng ngoại được sử dụng để theo dõi nhiệt độ bề mặt của pin. Thử nghiệm chủ yếu theo dõi nhiệt độ cháy của pin lithium và áp suất nổ trong bình. Nhiệt độ cháy được theo dõi bằng cặp nhiệt điện loại K bọc thép và phạm vi nhiệt độ theo dõi là 0 ~ 1000 ℃; Sử dụng máy ghi không cần giấy để ghi lại giá trị giám sát cặp nhiệt điện, với khoảng thời gian ghi là 1 giây.

Áp suất nổ trong buồng thử nghiệm được thu thập bởi cảm biến áp suất và hệ thống thu thập dữ liệu, phạm vi đo của cảm biến áp suất là 0~30 kPa; Nhiệt độ bề mặt của pin lithium được theo dõi bằng nhiệt kế hồng ngoại, có thể theo dõi phạm vi – 20~550 ℃.

2.2 Phương pháp thử nghiệm

Pin dùng để thử nghiệm là pin lithium ba thành phần dành cho xe điện đã tháo bỏ vỏ. Vật liệu ba thành phần là lithium niken-coban manganat, sử dụng muối niken, muối coban và muối mangan làm nguyên liệu. Tỷ lệ niken, coban và mangan có thể điều chỉnh được, vật liệu anot là than chì. Điện áp định mức của pin là 48 V, dòng điện định mức là 10 A, trạng thái sạc là nguồn điện tại nhà máy và kích thước pin là 285 mm x 92 mm x 72 mm. Bằng cách làm nóng tấm đáy của buồng thử nghiệm, pin liên tục được làm nóng và đánh lửa. Sau khi pin bắt lửa, hãy dừng làm nóng tấm đáy của buồng.

3. Thử nghiệm đốt và nổ pin lithium

Khi ngọn lửa mở đầu tiên xảy ra, nhiệt độ bề mặt của pin được đo bằng nhiệt kế hồng ngoại là khoảng 205 ℃. Sau khi ngọn lửa mở xảy ra, pin cháy dữ dội, ngọn lửa cháy lấp đầy toàn bộ buồng thử nghiệm và phun ra từ cửa sổ quan sát. Nhiệt độ tối đa trong buồng thử nghiệm được đo bằng cặp nhiệt điện là 705 ℃.

Nhiệt độ cháy được theo dõi trong buồng thử nghiệm thay đổi theo thời gian. Nhiệt độ cháy của pin lithium ion có thể được chia thành giai đoạn tăng trưởng ban đầu, giai đoạn tăng đột ngột và giai đoạn suy giảm. Trong giai đoạn tăng trưởng ban đầu, nhiệt độ trong buồng thử nghiệm tăng chậm do tác động kết hợp của nhiệt bên ngoài và giải phóng nhiệt của pin. Ở giai đoạn này, vỏ pin bị hư hỏng và khói được tạo ra bên trong.

Trước và sau khi pin phát ra lửa hở, nhiệt độ cháy tăng đột ngột, pin cháy dữ dội, trong quá trình cháy thỉnh thoảng xảy ra nổ, khoảng cách xa nhất lên tới 4m. Sau đó, nhiệt độ bắt đầu giảm và bước vào giai đoạn phân rã. Nhiệt sinh ra do phản ứng bên trong của pin tích tụ với số lượng lớn, giải phóng tức thời gây ra hiện tượng nổ trong quá trình cháy.

Trước và sau khi pin có ngọn lửa mở, nhiệt độ trong buồng thử nghiệm bắt đầu tăng mạnh. Tốc độ phản ứng hóa học bên trong pin rất nhanh và nhiệt được giải phóng nhanh chóng. Lúc này, rất khó để thực hiện các biện pháp chữa cháy để đạt được hiệu quả làm mát tốt. Trong quá trình thử nghiệm, nhiệt độ đỉnh vẫn còn cao, vì vậy các biện pháp chữa cháy và làm mát nên được thực hiện ở giai đoạn tăng nhiệt độ ban đầu.