Trong khi pin lithium mang lại sự tiện lợi cho cuộc sống của con người, thì sự an toàn của nó cũng được mọi người quan tâm. Sự đốt cháy dữ dội của chất điện phân sẽ xuyên qua tấm kim loại và giới hạn nổ của khí nhiệt phân cao hơn giới hạn nổ của hydrocarbon. Phản ứng nhiệt độ cao của pin lithium dễ gây ra các sự kiện nguy hiểm và đặc tính nhiệt độ cao của nó là một thông số quan trọng và cơ bản của nguy cơ hỏa hoạn. Do đó, cần phải khám phá tác động của môi trường điện áp thấp đến nhiệt độ giải phóng nhiệt độ cao của pin lithium để giảm nguy cơ sử dụng chúng.

1. Tổng quan về hiện tượng thoát nhiệt của pin lithium

Quá trình chạy trốn nhiệt của pin lithium bao gồm hai dạng: nổ sơ cấp và nổ cháy. Trong giai đoạn nổ sơ cấp, nhiệt độ bên trong pin lithium sẽ tăng lên. Nếu áp suất tăng, cổng xả áp của pin lithium sẽ mở ra và khói sẽ liên tục thoát ra. Trong quá trình nổ cháy, pin lithium sẽ gặp vấn đề phun nghiêm trọng. Một lượng lớn các chất phát sáng có nhiệt độ cao sẽ được phun ra từ cực dương của pin và quá trình đốt cháy thứ cấp sẽ được thực hiện cùng lúc.

Trong môi trường điện áp thấp, khói thoát ra trong quá trình nổ sơ cấp do nhiệt của pin lithium mất nhiều thời gian, sẽ không cháy sau khi quá trình phun hoàn tất và độ sáng của vật liệu phun ra cũng sẽ giảm. Trong bài báo này, các thí nghiệm phản ứng nhiệt thoát ra đã được thực hiện trên nhiều loại pin lithium trong các môi trường áp suất khác nhau là 30kPa, 60kPa và 101kPa để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ giải phóng nhiệt thoát ra của điện cực dương của pin.

2. Ảnh hưởng của môi trường áp suất thấp đến sự thoát nhiệt của pin 

2.1 Tác động của môi trường áp suất thấp đến nhiệt độ của cell pin lithium ion

Trong quá trình cháy nổ do nhiệt của pin lithium, khi điện tích của pin khác nhau, áp suất xung quanh giảm sẽ dẫn đến nhiệt độ phản ứng của thân pin tăng lên. Do đó, áp suất càng lớn thì khả năng nổ pin lithium càng lớn. Đồng thời, nhiệt độ cháy của thân pin lithium cũng sẽ giảm khi điện tích tăng và quá trình này sẽ không bị ảnh hưởng bởi môi trường áp suất. Khi điện tích là 100%, 50% và 0%, nhiệt độ tối đa của pin lithium sẽ tăng khi áp suất tăng. Áp suất càng thấp thì nguy cơ đánh lửa và nổ của pin lithium càng thấp. Ngoài ra, nhiệt độ tối đa của pin lithium dưới các áp suất khác nhau sẽ tăng khi điện tích tăng.

2.2 Ảnh hưởng của môi trường áp suất thấp đến nhiệt độ của cổng phun pin lithium ion

Trong phản ứng nhiệt độ tăng vọt, nhiệt độ ở đầu ra của cực dương của pin là nhiệt độ giải phóng do phản ứng nhiệt độ tăng vọt. Nguồn năng lượng giải phóng nhiệt độ tăng vọt chủ yếu bao gồm các nội dung sau: Thứ nhất, năng lượng giải phóng do phản ứng đốt cháy thứ cấp của các chất dễ cháy và dễ bắt lửa do nhiệt độ tăng vọt tạo ra trong nhiều môi trường áp suất khác nhau. Thứ hai, vật liệu nhiệt độ cao và năng lượng giải phóng do phản ứng nhiệt độ tăng vọt bên trong pin lithium. Thông qua các thí nghiệm lặp lại trong các môi trường áp suất khác nhau là 30kPa, 60kPa và 101kPa, có thể thấy rằng môi trường áp suất thấp sẽ có nhiều tác động đến nhiệt độ môi trường do nhiệt độ tăng vọt của pin lithium gây ra, có thể chia thành các khía cạnh sau:

(1) Môi trường áp suất 30kPa

Trong môi trường áp suất thấp 30kPa, nhiệt độ giải phóng nhiệt độ thoát ra đo được tại đầu ra phản lực dương của pin chủ yếu được chia thành năm đỉnh: 1~4 đỉnh nhiệt độ cao tập trung trong phản ứng nhiệt độ thoát ra của bảy pin; đỉnh 1 và 2 xảy ra trong phản ứng nhiệt độ thoát ra thứ nhất và thứ hai, với chiều rộng đỉnh hẹp và thời gian nhiệt độ cao ngắn; Một phần giá trị đỉnh 3 và 4 xuất hiện trong giai đoạn phản ứng nhiệt độ thoát ra thứ ba đến thứ bảy của pin lithium, trong đó nhiệt độ của giá trị đỉnh 3 thấp hơn, trong khi giá trị đỉnh 4 xảy ra trong giai đoạn phản ứng nhiệt độ thoát ra của pin lithium ion hoàn tất. Nhiệt độ của giá trị đỉnh 4 gần với giá trị đỉnh 5 và nhiệt độ cao hơn; Giá trị đỉnh 5 xuất hiện sau khi phản ứng nhiệt độ thoát ra hoàn tất. Lúc này, các chất dễ cháy còn lại phun ra từ ion lithium và lớp vỏ pin đang cháy. Do đó, nhiệt độ giải phóng cao, chiều rộng của giá trị đỉnh lớn và nhiệt độ cao kéo dài trong thời gian dài.

Do đó, số lượng đỉnh nhiệt độ được giải phóng trong giai đoạn nhiệt độ tăng vọt của pin lithium trong môi trường áp suất thấp 30kPa là nhỏ, và chiều rộng và số lượng đỉnh nhiệt độ cao thấp hơn so với môi trường 60kPa, vì vậy nguy cơ nhiệt độ cao của pin thấp hơn so với môi trường Yuli 60kPa. Ngoài ra, nồng độ oxy trong môi trường nuôi cấy áp suất thấp 30kPa thấp, có thể ức chế phản ứng nhiệt độ tăng vọt dữ dội bên trong của pin lithium ion ở một mức độ nhất định, khiến các chất dễ cháy khí hữu cơ do phản ứng nhiệt độ tăng vọt tạo ra khó tiến hành phản ứng đốt cháy thứ cấp trong môi trường áp suất thấp. Người ta thấy rằng phản ứng tỏa nhiệt nhiệt độ tăng vọt của vật liệu bên trong pin ion kali 30kPa là lý do khiến nhiệt độ cao sinh ra trong môi trường áp suất thấp.

(2) Môi trường áp suất 60kPa

Phản ứng nhiệt độ cao của pin tạo thành quá trình cháy và nổ bằng cách phun các vật liệu sáng và nhiệt độ cao, sau đó tạo ra đỉnh nhiệt độ cao. Khi môi trường áp suất là 60kPa, pin lithium ion có 7 phản ứng nhiệt độ cao. Thông qua việc phát hiện nhiệt độ môi trường của cổng phun pin lithium, người ta thấy rằng có 5 đỉnh nhiệt độ cao nhiệt độ cao trong phản ứng, trong đó 1 đến 4 đỉnh nhiệt độ cao chủ yếu tập trung ở phản ứng nhiệt độ cao thứ bảy. Giá trị đỉnh nhiệt độ cao của ion lithium 5 xuất hiện sau khi phản ứng nhiệt độ cao của bảy pin hoàn tất. Ở giai đoạn này, pin ion kali phun các chất dễ cháy và vỏ nhựa để tạo thành đỉnh nhiệt độ cao thông qua phản ứng đốt cháy. Nhiệt độ của các đỉnh 2, 3 và 4 là khoảng 800 ℃ và nhiệt độ tối đa là khoảng 1100 ℃. Chiều rộng đỉnh hẹp. So với môi trường áp suất 101kPa, bảy phản ứng mất kiểm soát nhiệt đã xảy ra trong môi trường 60kPa: đỉnh nhiệt độ của cổng phun pin lithium-ion là bốn và phân tích cho thấy các chất pháo hoa được tiêm bởi phản ứng mất kiểm soát nhiệt ở Lok Lok có tác động thấp đến nhiệt độ cao. Nếu giá trị đỉnh cao hơn 600 ℃, chiều rộng sẽ thu hẹp lại. Do đó, thời gian nhiệt độ cao do phản ứng mất kiểm soát nhiệt tạo ra trong môi trường áp suất thấp 60kPa bị rút ngắn. Đồng thời, phản ứng giải phóng nhiệt độ cao của nhiệt mất kiểm soát trong môi trường áp suất 60kPa an toàn hơn so với ở áp suất bình thường, do đó nồng độ oxy trong môi trường này thấp hơn ở áp suất bình thường. Nhiệt giải phóng ở nhiệt độ cao chủ yếu giải phóng năng lượng thông qua phản ứng nhiệt của các vật liệu bên trong pin và một phần khác đến từ khí dễ cháy do phản ứng mất kiểm soát nhiệt tạo ra bên trong pin.

(3) Môi trường áp suất 101kPa

Trong môi trường áp suất 101 kPa, tức là dưới áp suất bình thường, pin sẽ lần lượt trải qua phản ứng mất kiểm soát nhiệt trong một số điều kiện nhất định. Pin lithium ion đã trải qua bảy phản ứng mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng trong môi trường điện áp thấp. Trong phản ứng của pin, đỉnh phản ứng nhiệt độ cao sẽ được bắt giữ ở vị trí cao hơn khoảng 30mm so với đỉnh đó và đỉnh nhiệt độ cao của môi trường do phản ứng đốt cháy tia mạnh gây ra sẽ thường được phân bổ đều trong phạm vi gấp 1-7 lần phản ứng mất kiểm soát nhiệt. Tất cả các nhiệt độ đỉnh nhiệt độ cao đều cao hơn nhiều so với 600 ℃, nhiệt độ tối thiểu khoảng 800 ℃ và nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 1100 ℃. Đồng thời, chiều rộng đỉnh của phản ứng nhiệt ion lithium giải phóng nhiệt độ cao trong 101 kPa là lớn, do đó nhiệt độ giải phóng kéo dài trong một thời gian dài. Bảy phản ứng nhiệt không kiểm soát trong môi trường 101 kPa sẽ giải phóng năng lượng nhiệt độ cao và có tác động liên tục đến nhiệt độ cao đối với môi trường xung quanh. Ngoài ra, các nguồn nhiệt độ cao giải phóng bởi phản ứng nhiệt thoát ra của pin lithium trong môi trường có áp suất khí quyển 101kPa bao gồm các yếu tố sau: phản ứng nhiệt mạnh diễn ra bên trong pin lithium ion để giải phóng năng lượng; Khí dễ cháy được hình thành trong pin lithium thông qua phản ứng và phản ứng đốt cháy thứ cấp được thực hiện trong môi trường áp suất bình thường để giải phóng nhiệt.