Trong những năm gần đây, khủng hoảng năng lượng toàn cầu và ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng. Là một kho lưu trữ năng lượng sạch và không gây ô nhiễm, pin lithium-ion dần được ứng dụng vào các loại xe năng lượng mới, thiết bị lưu trữ năng lượng chuyển đổi năng lượng mặt trời, thiết bị liên lạc di động và các lĩnh vực khác. Hiện nay, xe năng lượng mới sử dụng pin lithium-ion xuất hiện ngày càng nhiều ở các thành phố, nhưng một số nguy cơ tiềm ẩn về an toàn cũng dần được phơi bày. Theo báo cáo điều tra hỏa hoạn của xe năng lượng mới, phần lớn các vụ cháy là do nhiệt độ pin không được kiểm soát. Sử dụng không đúng cách, hư hỏng do tai nạn hoặc lỗi của pin lithium-ion có thể dẫn đến nổ và cháy. Trong số nhiều lý do gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin, châm cứu là hành vi phá hoại không thể đảo ngược gây ra hư hỏng pin. Khi pin bị đâm thủng bởi các vật sắc nhọn hoặc chịu lực tác động lớn, sẽ gây ra hư hỏng cơ học cho pin, phá vỡ cấu trúc bên trong của pin và để lộ trực tiếp các vật liệu bên trong. Đồng thời, dễ gây ra hiện tượng đoản mạch giữa các cực dương và cực âm bên trong pin, sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn và làm nhiệt độ tăng nhanh, gây ra nguy cơ mất kiểm soát nhiệt.

Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào mô hình nhiệt của châm cứu pin và thí nghiệm châm cứu, nhưng về khía cạnh tổn thương do châm cứu, các nghiên cứu hiện có về mô hình nhiệt độ mất kiểm soát của châm cứu không xem xét tính ngẫu nhiên của nhiệt độ mất kiểm soát do châm cứu gây ra, và đối tượng của thí nghiệm châm cứu chủ yếu là pin phẳng, nhưng đặc tính chống châm cứu của pin phẳng là tốt. Dựa trên các công trình nghiên cứu hiện có, pin lithium sắt phosphate hình trụ được chọn làm đối tượng và các thay đổi về hình dạng pin, điện áp pin và nhiệt độ bề mặt pin trong trường hợp mất kiểm soát nhiệt được nghiên cứu mạnh mẽ, cung cấp giá trị tham chiếu cho việc sử dụng an toàn và phòng ngừa châm cứu pin lithium sắt phosphate.

1. Cơ chế xảy ra

Trong pin lithium sắt phosphate hình trụ, mỗi đơn vị điện cực được cấu thành từ các điện cực dương và âm, bộ thu dòng điện lưỡng cực, màng ngăn, v.v. Đơn vị điện cực được ngâm trong chất điện phân và được niêm phong trong vỏ pin, và van xả áp suất pin nằm gần vấu cực dương của pin. Khi pin bị đâm thủng bằng lưỡi lê, nhiều đơn vị điện cực bị đâm thủng và tất cả các đơn vị điện cực bị đâm thủng đều tham gia vào quá trình xả. Do lỗi về vị trí đâm thủng của pin và độ lệch nhỏ của quá trình sản xuất pin, vết đâm và đơn vị điện cực bị hỏng sẽ tạo ra các giao diện tiếp xúc ngẫu nhiên khác nhau và giao diện ngẫu nhiên thường sẽ ảnh hưởng đến hiệu ứng xả của đơn vị điện cực và kích thước của điện trở giao diện tiếp xúc.

Khi pin bị thủng, các hạt bên trong pin sẽ di chuyển. Các bộ thu dòng điện dương và âm bên trong pin tương đương với trạng thái ngắn mạch và một dòng điện lớn được tạo ra ngay lập tức từ bộ thu dòng điện dương đến bộ thu dòng điện âm thông qua lưỡi lê. Li được loại bỏ khỏi cấu trúc lithium được nhúng trong điện cực âm và đi vào chất điện phân, và di chuyển qua màng ngăn đến điện cực dương. Khi pin bị thủng, giao diện tiếp xúc ngẫu nhiên sẽ ảnh hưởng đến quá trình phóng điện bên trong của pin.

Nếu tiếp xúc giữa kim và nhiều đơn vị điện cực tốt, sẽ có nhiều đơn vị điện cực tham gia vào quá trình phóng điện ngắn mạch, và nhiệt sẽ nhiều hơn. Nếu kim chỉ tiếp xúc với một vài đơn vị điện cực, số lượng đơn vị điện cực tham gia vào quá trình phóng điện tương đối nhỏ, nhiệt sinh ra cũng sẽ tương đối nhỏ và phản ứng mất kiểm soát nhiệt của pin tương đối nhẹ. Trong quá trình ngắn mạch bên trong của pin, nhiệt sinh ra nhiều hơn trong quá trình phóng điện dữ dội, điều này sẽ khiến nhiệt độ của pin tăng lên.

Nhìn chung, tình hình cụ thể của pin bị ngắn mạch bên trong kim là phức tạp và thay đổi, và rất khó để đo lường chính xác những thay đổi của các thông số như dòng điện ngắn mạch, điện trở trong của pin và đơn vị điện cực tham gia vào phản ứng. Do đó, bài báo này sẽ nghiên cứu và phân tích những thay đổi điện áp pin vĩ mô bên ngoài và nhiệt độ bề mặt của pin.

2. Buồng thử độ đâm xuyên của đinh

Thân chính của bệ thử nghiệm châm cứu dựa trên máy thử châm cứu đùn pin do DGBELL sản xuất . Trong buồng thử nghiệm, tốc độ kim có thể được thiết lập thành 20 mm/giây thông qua bảng điều khiển và kim được chọn là kim thép vonfram φ 5 mm, hành trình kim là 200 mm (pin bị thủng hoàn toàn). Đồng thời, điện áp pin và nhiệt độ bề mặt pin sẽ được đo trực tuyến và dữ liệu thu thập được sẽ được lưu trong máy tính phía trên để xử lý tiếp theo sau khi qua thẻ thu thập dữ liệu.

Pin thử nghiệm là pin lithium sắt phosphate 32650. Pin được cố định bằng kẹp đặc biệt, có thể ngăn pin bị lệch hướng kính trong quá trình thử nghiệm. Đặt pin vào buồng thử nghiệm đâm thủng có chức năng chống nổ, bóc lớp vỏ nhựa cách cực âm của pin 15 mm và 45 mm, đặt điểm đo nhiệt điện trở vá loại K lên bề mặt vỏ pin. Vị trí kim cách điện cực âm 30 mm. Sau khi đâm thủng pin, kim sẽ ở bên trong pin trong 600 giây.

Xét đến tính ngẫu nhiên của giao diện tiếp xúc giữa kim và bộ phận điện cực bị hỏng sau khi kim đâm vào pin trong thí nghiệm, sáu pin lithium sắt phosphate 32650 được sạc đầy (SOC = 1) đã được chọn cho thí nghiệm và kết quả thí nghiệm của sáu nhóm thí nghiệm kim đã được so sánh và phân tích. Nhiệt độ môi trường của mỗi thí nghiệm được kiểm soát ở (20 + 2) ℃. Để tránh nhóm thí nghiệm trước ảnh hưởng đến nhóm thí nghiệm tiếp theo, khoảng thời gian giữa hai nhóm thí nghiệm liền kề là 24 giờ và mỗi thí nghiệm cần được thay thế bằng kim thép vonfram mới.