Phân tích về thử nghiệm an toàn của pin Lithium-ion

Sự an toàn của pin lithium-ion là ưu tiên hàng đầu của chúng tôi, đặc biệt là trong các lĩnh vực liên quan đến sự an toàn của tính mạng và tài sản của chúng tôi, chẳng hạn như xe ô tô chở khách. Để đảm bảo sự an toàn của pin lithium-ion, mọi người đã thiết kế nhiều loại thử nghiệm an toàn để đảm bảo sự an toàn của pin lithium-ion trong trường hợp bị lạm dụng. Do đó, từ góc độ tối ưu hóa thiết kế cấu trúc pin, làm thế nào để vượt qua loạt thử nghiệm an toàn này là một vấn đề mới mà chúng ta cần xem xét.

Trước những rủi ro về an toàn mà pin lithium-ion có thể gặp phải trong quá trình sử dụng thực tế, chúng tôi đã thiết kế các bài kiểm tra an toàn như đùn, châm cứu, ngắn mạch, sạc quá mức và xả quá mức, nhiệt độ cao và thấp. Trong số nhiều bài kiểm tra an toàn, các bài kiểm tra đùn, châm cứu và ngắn mạch bên ngoài mô phỏng các mạch ngắn bên trong và bên ngoài của pin lithium-ion là thông thường nhất và khó vượt qua nhất. Lý do chính là dòng điện tức thời trong hai bài kiểm tra an toàn quá lớn. Do trở kháng ômi và các yếu tố khác, một lượng nhiệt lớn được tạo ra trong pin lithium-ion trong một khoảng thời gian. Bị hạn chế bởi cấu trúc của pin lithium-ion, lượng nhiệt này không thể khuếch tán nhanh ra bên ngoài pin, dẫn đến nhiệt độ của pin lithium-ion cao, dẫn đến sự phân hủy và đốt cháy các chất hoạt động và chất điện phân, khiến nhiệt độ tăng cao ngoài tầm kiểm soát.

Lấy pin vuông thường dùng trong xe điện làm ví dụ, do thiết kế kết cấu, tốc độ khuếch tán nhiệt sinh ra ở từng bộ phận của pin là khác nhau, do đó sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ rõ ràng theo hướng mặt phẳng và hướng độ dày của pin. Đặc biệt trong trường hợp dòng điện cao, nhiệt sinh ra trong pin, đặc biệt là ở giữa cell, không thể khuếch tán tốt, do đó, nhiệt độ bên trong cell sẽ tăng đột ngột, gây ra các vấn đề về an toàn.

Thử nghiệm ép

Trong thử nghiệm đùn, với sự gia tăng mức độ biến dạng của pin, các bộ thu dòng điện dương và âm sẽ bị rách trước, trượt dọc theo đường hỏng 45 độ và vật liệu hoạt động cũng sẽ bị hỏng. Nó sẽ đi vào đường hỏng 45 độ. Với sự gia tăng liên tục của biến dạng màng ngăn, màng ngăn cuối cùng đạt đến điểm hỏng, gây ra hiện tượng ngắn mạch dương và âm. Ngắn mạch dương và âm do ép gây ra chủ yếu là ngắn mạch điểm. Do đó, một dòng điện rất lớn sẽ được tạo ra tại điểm ngắn mạch và nhiệt sẽ được giải phóng mạnh mẽ, khiến nhiệt độ tại điểm ngắn mạch tăng đột ngột. Do đó, rất dễ gây ra tình trạng nóng không kiểm soát.

Thử nghiệm đâm xuyên

Thí nghiệm đâm đinh cũng là một phương pháp được sử dụng để mô phỏng hiện tượng ngắn mạch trong của pin lithium-ion. Nguyên lý cơ bản của nó là sử dụng một cây kim kim loại để từ từ đâm vào bên trong pin lithium-ion với một tốc độ nhất định, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch trong của pin lithium-ion. Lúc này, năng lượng của toàn bộ pin lithium-ion được giải phóng thông qua điểm ngắn mạch. Các nghiên cứu có liên quan cho thấy khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch trong, nhiều nhất là khoảng 70% năng lượng sẽ được giải phóng thông qua điểm ngắn mạch trong vòng 60 giây và phần nhiệt này cuối cùng sẽ được chuyển thành năng lượng nhiệt. Do nhiệt sinh ra không thể khuếch tán kịp thời nên nhiệt độ tức thời của điểm ngắn mạch có thể đạt tới hơn 1000 ℃, dẫn đến tình trạng nóng không kiểm soát.

Thử nghiệm ngắn mạch ngoài

So với các thí nghiệm đùn và châm cứu ở trên, thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài tương đối nhẹ. Thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài là kết nối pin lithium-ion với điện trở cố định và năng lượng của pin lithium-ion được giải phóng thông qua điện trở. Dòng điện ngắn mạch có thể được kiểm soát theo điện trở cố định, từ hàng chục ampe đến hàng trăm ampe, thậm chí hàng nghìn ampe. Do dòng điện lớn, một lượng nhiệt lớn sẽ tích tụ trong pin lithium-ion trong thời gian ngắn, có thể dẫn đến tình trạng pin lithium-ion bị mất kiểm soát nhiệt.

Có thể vượt qua được thử nghiệm ngắn mạch hay không chủ yếu bị ảnh hưởng bởi dòng điện ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch càng lớn thì tốc độ sinh nhiệt của pin lithium-ion càng nhanh và tốc độ khuếch tán nhiệt của pin lithium-ion sẽ không thay đổi nhiều. Do đó, điều đó có nghĩa là pin lithium-ion sẽ tích tụ nhiều nhiệt hơn và nhiệt độ sẽ tăng nhiều hơn, điều này có thể dẫn đến sự co lại của màng ngăn, các vấn đề nghiêm trọng như ngắn mạch điện cực dương và điện cực âm, dẫn đến sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion.

Yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch của pin lithium-ion là giá trị điện trở của điện trở ngắn mạch, tiếp theo là các yếu tố như điện trở trong và trạng thái sạc của pin lithium-ion. Các nhà nghiên cứu ở Hà Lan phát hiện ra rằng trong quá trình ngắn mạch của pin lithium-ion, sự thay đổi dòng điện chủ yếu được chia thành các phần sau và dòng điện xả của pin khu vực 1 có thể đạt tới 274c, Phần này chủ yếu được điều khiển bởi sự phóng điện của lớp kép điện và lớp khuếch tán của pin lithium-ion. Ở khu vực 2, tốc độ phóng điện của pin lithium-ion có thể đạt tới 50-60c. Yếu tố hạn chế chính của phần dòng điện này là sự khuếch tán vật liệu. Do sự tích tụ nhiệt, sự mất kiểm soát nhiệt của pin có thể xảy ra ở khu vực này. Ở khu vực 3, dòng điện xả của pin giảm dần khi lực truyền động giảm.

Nghiên cứu của họ cũng phát hiện ra rằng yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm ngắn mạch là tỷ lệ giữa điện trở ngắn mạch và điện trở trong của pin lithium-ion, thậm chí còn lớn hơn điện trở trong của pin lithium-ion và trạng thái sạc của pin. Có thể thấy rằng giá trị điện trở của điện trở ngắn mạch càng gần với pin lithium-ion thì pin lithium-ion càng dễ bị mất kiểm soát nhiệt. Pin lithium-ion chỉ có thể vượt qua thử nghiệm an toàn ngắn mạch khi giá trị điện trở của điện trở ngắn mạch lớn hơn 9-12 lần điện trở trong của pin lithium-ion. Trên thực tế, không khó để hiểu rằng trong quá trình xả ngắn mạch, nhiệt chủ yếu được tạo ra bởi điện trở ngắn mạch của mạch ngoài và điện trở trong của pin. Theo công thức nhiệt Joule P = I2R, khi dòng điện như nhau, công suất làm nóng tỷ lệ thuận với phạm vi điện trở. Khi năng lượng pin chắc chắn, bộ phận có điện trở lớn sẽ tự nhiên sinh ra nhiều nhiệt hơn.

Từ phân tích trên, không khó để thấy rằng các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra an toàn của pin lithium-ion chủ yếu là tốc độ sinh nhiệt và tốc độ tản nhiệt về bản chất. Giảm tốc độ sinh nhiệt trong quá trình kiểm tra an toàn bằng thiết kế bảo vệ an toàn hoặc cắt dòng điện và ngăn ngừa việc sinh nhiệt liên tục nếu cần có thể tránh hiệu quả tình trạng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion. Thứ hai là cải thiện tốc độ tản nhiệt của pin lithium-ion. Bằng cách cải thiện tốc độ tản nhiệt thông qua thiết kế cấu trúc của pin lithium-ion, có thể tránh hiệu quả nhiệt độ của pin lithium-ion. Đặc biệt ở cấp độ cụm pin, cần trang bị các phương tiện tản nhiệt tương ứng để tản nhiệt nhanh trong trường hợp mất kiểm soát nhiệt của một số pin Lithium-Ion, để đảm bảo không xảy ra phản ứng dây chuyền.