Kể từ khi sản xuất hàng loạt pin lithium, nó đã nhanh chóng dẫn đầu xu hướng trong lĩnh vực pin với hiệu suất tuyệt vời như tỷ lệ năng lượng cao, tuổi thọ chu kỳ dài và điện áp điện cực cao. Nó có lợi thế tuyệt đối trong điện thoại di động, máy tính và các ngành công nghiệp khác, và đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng của xe năng lượng mới. Để đáp ứng các yêu cầu của thị trường về năng lượng lưu trữ cao, các doanh nghiệp tăng cường nghiên cứu và phát triển năng lượng cụ thể của một loại pin duy nhất. Mặc dù nó có thể cải thiện thời gian chờ của điện thoại di động, nhưng nó cũng làm cho mật độ năng lượng thể tích của một loại pin duy nhất ngày càng cao và các vấn đề về bảo mật của nó ngày càng trở nên nổi bật. Yếu tố hạn chế chính đối với việc thúc đẩy thương mại pin lithium-ion và dung lượng cao là tính an toàn và có nhiều mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn. Để phân tích và giải quyết các vấn đề như vậy, một số tiêu chuẩn an toàn quốc tế đã được đề xuất, chẳng hạn như IEC62133 , UL1642 , IEEE1625, v.v.; Tiêu chuẩn được khuyến nghị GB / T18287-2000 cũng đã được giới thiệu tại Trung Quốc. Đồng thời, để đảm bảo an toàn cho pin lithium trong hàng không, vận tải đường dài và sử dụng thiết bị, các tiêu chuẩn UN38.3 , GB4943, v.v. đã được đưa ra. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, với việc sử dụng quy mô lớn của thị trường và sự gia tăng dung lượng riêng của pin, khả năng xảy ra các vấn đề nghiêm trọng như cháy nổ pin lithium trong điều kiện lạm dụng (như quá tải nhiệt và quá tải xả, ngắn mạch, rung động, đùn, v.v.) đã tăng lên rất nhiều. Các vụ nổ gây thương tích hoặc thu hồi sản phẩm do nguy cơ an toàn thường gây ra hậu quả tử vong cho doanh nghiệp. Nhiều công ty đang đầu tư vào việc phát triển các công nghệ phòng ngừa an toàn pin lithium mới, đồng thời mô phỏng các vấn đề có thể xảy ra để thực hiện các phương pháp phát hiện phù hợp hơn, chẳng hạn như thử nghiệm ngắn mạch bên trong bắt buộc JISC8714 của Nhật Bản, thử nghiệm nhiệt độ giới hạn trên và dưới IEC, phương tiện thử nghiệm châm cứu. Để đáp ứng nhu cầu thị trường, các tiêu chuẩn an toàn hiện có cũng đã được nâng cấp tại Trung Quốc và được sửa đổi thành GB / T18287-2013, GB31241-2014; Bài viết này sẽ tóm tắt một số phương pháp phát hiện hiện nay.

Thử nghiệm độ đâm xuyên

Thử nghiệm châm kim là một mạch ngắn bên trong cưỡng bức. Dưới nhiệt độ môi trường 20 ℃ ± 5 ℃, pin được sạc đầy bằng dòng điện sạc tiêu chuẩn, một cặp nhiệt điện được dán gần tâm pin và đặt trong tủ hút, và một kim thép không gỉ đường kính 3 mm được sử dụng để đâm thủng pin nhanh chóng với tốc độ 20 mm / s. Kim cần xuyên hoàn toàn sang phía bên kia của pin, sau đó kim thép vẫn đứng yên trong 1 phút. Quan sát xem pin có cháy nổ không và đồng thời phát hiện dữ liệu thay đổi nhiệt độ pin. Tiêu chuẩn vượt qua của thí nghiệm là pin không cháy và không nổ. Vì loại thử nghiệm này không dễ vượt qua nên có tranh chấp về vấn đề mô phỏng tình huống và thử nghiệm không được liệt kê trong tiêu chuẩn quốc gia GB / T18287. QC/T743-2006 có thử nghiệm kim: sử dụng kim thép chịu nhiệt độ cao ø 3mm ~ ø 8mm đâm xuyên theo hướng vuông góc với tấm pin (kim thép nằm trong pin). Pin không nổ hoặc bắt lửa.

Thử nghiệm đâm đinh mô phỏng vấn đề an toàn sau khi vật lạ, đặc biệt là vật sắc nhọn bằng kim loại đâm vào bề mặt pin. Lúc này, màng cách điện của pin bị đâm thủng, điện cực dương và điện cực âm trong pin bị đoản mạch ngay lập tức. Dòng điện đoản mạch có thể sinh ra rất nhiều nhiệt ngay lập tức. Châm cứu khiến pin bị đoản mạch tại điểm châm cứu. Bản thân kim thép trở thành điểm đoản mạch và sinh ra một lượng nhiệt lớn để hình thành vùng quá nhiệt cục bộ dọc theo pin xung quanh kim thép. Đặt điện trở DC của pin là R, điện trở đoản mạch của vùng đoản mạch là r, điện áp pin là U và công suất sinh nhiệt trong vùng mạch Q: Q = U²r / (R + r)². Khi nhiệt độ trong vùng quá nhiệt cục bộ vượt quá điểm tới hạn, sẽ dẫn đến tình trạng quá nhiệt không kiểm soát được. Hiện nay, chất điện phân được sử dụng phổ biến nhất cho pin lithium-ion công nghiệp là dung môi hỗn hợp của LiPF ₆ và alkyl cacbonat (bao gồm ECPC, decemc, v.v.). Điểm chớp cháy của các dung môi thông dụng này như sau: 160 ℃ (EC) 132 ℃ (PC) 31 ℃ (DEC) 31C (DMC). Đồng thời, chất điện phân cũng sẽ phát ra phản ứng phân hủy. Phản ứng phân hủy diễn ra trong khoảng từ 170 ℃ đến 330 ℃, và nhiệt giải phóng khoảng 460 J / g, có liên quan đến muối lithium và dung môi. Trong thí nghiệm, nhiệt độ của pin chung tăng mạnh sau khi kim bị đoản mạch và có thể đạt khoảng 120 ℃ trong vài giây. Do alkyl cacbonat rất dễ cháy, khi vỏ pin lithium-ion bị thủng, dung môi rò rỉ và tiếp xúc với oxy trong không khí, có thể đốt cháy dung môi hữu cơ ở khu vực quá nhiệt gần kim thép, điều này sẽ khiến pin bắt lửa hoặc kích nổ pin bên trong.

Pin Lithium được tạo thành từ nhiều điện cực dương và âm được kết nối song song, như thể hiện trong Hình 1. Đầu đinh đầu tiên từ từ đâm thủng màng cách ly dương và âm của lớp đầu tiên, lúc này, dòng điện xả của lớp điện cực song song đầu tiên rất lớn, và các điện cực còn lại không bị đoản mạch được xả và làm nóng qua điểm ngắn mạch đầu tiên; Tiếp tục xuyên qua màng cách ly mảnh điện cực thứ hai và các điện cực còn lại chưa bị đoản mạch được giảm nhẹ bởi dòng điện xả tại hai điểm ngắn mạch hiện tại; Tiếp tục đâm thủng, dòng điện ngắn mạch tiếp tục giảm tuần tự cho đến khi xuyên qua hoàn toàn màng cách ly của miếng điện cực song song của pin. Lúc này, điểm ngắn mạch xảy ra giữa tất cả các điện cực và hiện tượng ngắn mạch tiếp tục xảy ra với dòng điện ngắn mạch tối thiểu. Nếu tốc độ đâm kim nhanh hơn, chẳng hạn như 40mm/giây, thì dòng điện ngắn mạch về cơ bản có thể được coi là tất cả các miếng điện cực được làm nóng dưới cùng một dòng điện ngắn mạch; Nếu tốc độ chậm, chẳng hạn như 0,1mm/giây, khi đâm vào tiền điện cực, dòng điện phóng điện lớn, nhiệt tức thời nhiều hơn và nhiệt độ cao được tạo ra, có thể kích thích phản ứng phân hủy của chất điện phân, khiến pin bị cháy. Nếu đầu kim vừa đâm thủng bề mặt pin trong quá trình thử nghiệm và dừng lại, thì dòng điện ngắn mạch lúc này cực lớn và khả năng xảy ra cháy rất lớn. Để đảm bảo khả năng lặp lại và khả năng tái tạo của thử nghiệm, cần phải chỉ định chính xác thiết bị được sử dụng, xác định đường kính, độ cứng, độ hoàn thiện bề mặt, chiều dài và độ côn của đầu kim, xác định số lần kim được tái sử dụng và các điều kiện xử lý; Đảm bảo đâm xuyên pin với cùng một tốc độ tại mọi thời điểm. Độ sâu đâm xuyên của pin cũng yêu cầu một thông số kỹ thuật thống nhất.