Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ năng lượng, việc sử dụng xe điện đã trở thành giải pháp khả thi cho các vấn đề về môi trường. So với các loại pin khác, pin lithium-ion có ưu điểm là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, dễ sử dụng và bảo dưỡng, v.v. và đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho pin điện cho xe điện. Tuy nhiên, nguy cơ tai nạn tiềm ẩn của pin lithium-ion sẽ gây nguy hiểm cho sự an toàn của tính mạng và tài sản của con người, và sự tin tưởng của người tiêu dùng khi chấp nhận xe điện sẽ bị nản lòng. Pin lithium-ion nói chung là an toàn trong điều kiện sử dụng bình thường, nhưng trong trường hợp có khuyết tật riêng lẻ trong quá trình sản xuất và các điều kiện sử dụng sai hoặc lạm dụng như nhiệt độ cao, đoản mạch, quá tải và xả, rung động, đùn và va đập, v.v. trong quá trình sử dụng pin sẽ xảy ra phản ứng nhiệt tạo ra một lượng nhiệt lớn, nếu không kịp thời khuếch tán sẽ gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, có thể khiến pin bắt lửa và phát nổ. Từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2018, đã có nhiều vụ tai nạn an toàn xe điện trong và ngoài nước do pin lithium-ion.

Để đánh giá tính an toàn của pin lithium-ion, một số tiêu chuẩn thử nghiệm an toàn đã được đề xuất trong và ngoài nước, chẳng hạn như ISO12405-3 IEC62133UL1642UN383. Trong bài báo này, kết hợp với tiêu chuẩn pin điện trong nước hiện hành CHO xe điện GB/T314852015 và tiêu chuẩn bộ pin GB/T31467.3-2015, một số tình huống dễ xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin được phân tích và thảo luận.

1.1 Thử nghiệm độ đâm xuyên

Thử nghiệm đâm đinh sử dụng kim thép chịu nhiệt độ cao ф5mm ~ ф8mm (góc côn của đầu kim là 45 ° ~ 60 ° bề mặt kim nhẵn và không có lớp oxit và dầu) với tốc độ (25 ± 5) mm/giây từ hướng của tấm pin qua vị trí tâm hình học của kim thép gần bề mặt đâm thủng để ở trong pin để quan sát trong 1 giờ. Trong quá trình này, pin không được nổ và không bắt lửa. Thử nghiệm đục kim mô-đun sử dụng kim thép dày hơn một chút ở cùng tốc độ, từ hướng vuông góc với tấm pin lần lượt qua ít nhất 3 pin đơn (kim thép ở trong pin) quan sát trong 1 giờ. Trong quá trình này, mô-đun pin không được nổ hoặc bắt lửa.

Sau khi kim thép đâm thủng bộ tách pin, các tấm cực dương và cực âm của pin tạo thành một vòng lặp với kim thép, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin tạo ra một số lượng lớn các điểm nóng. Khi nhiệt độ đạt tới 130 °C, màng ngăn chung bắt đầu co lại và tan chảy, khiến diện tích tiếp xúc điện cực dương và âm của pin lớn hơn để hình thành thêm hiện tượng đoản mạch bên trong. Khi pin hoạt động hết công suất, cực dương và cực âm ở trạng thái bán bền Khi nhiệt độ vượt quá 180 °C, cực dương và cực âm sẽ có phản ứng tỏa nhiệt mạnh với chất điện phân và tạo ra một lượng lớn khí (bao gồm một lượng lớn khí hữu cơ dễ cháy và một lượng nhỏ oxy). Khi nhiệt độ tăng lên hơn 240 ° C, chất kết dính có chứa flo bắt đầu phản ứng dữ dội với cacbon lithium để giải phóng một lượng nhiệt lớn Điểm chớp cháy của cacbonat tuyến tính trong chất điện phân nóng thấp và dễ tạo ra ngọn lửa trần Trong hầu hết các trường hợp, kim thép đâm thủng lỗ của pin và dễ phun chất dễ cháy ở nhiệt độ cao để bắt lửa trong không khí tạo thành hiện tượng phun lửa (như trong Hình 1). Khi thực hiện thử nghiệm châm kim của pin mô-đun, điện áp pin mô-đun cao hơn, châm kim gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong khi dòng điện tức thời lớn hơn và có nhiều khả năng xảy ra khi sự chạy trốn nhiệt của pin bị bắt lửa và phát nổ.

Nền tảng điện áp của pin lithium-ion của hệ thống vật liệu ba thành phần cao hơn nền tảng điện áp của pin lithium-ion của hệ thống lithium-ion của hệ thống lithium-ion và tỷ lệ vượt qua rất thấp khi thực hiện thử nghiệm chích kim. Vào ngày 30 tháng 12 năm 2016, bốn bộ và ủy ban của nhà nước đã ban hành “Chương trình trợ cấp khuyến khích xe năng lượng mới và Yêu cầu kỹ thuật sản phẩm”, trong đó quy định rằng thử nghiệm châm cứu trong phương pháp thử nghiệm và an toàn cho pin điện cho xe điện (số tiêu chuẩn GB / T31485-2015628638) sẽ không được thực hiện. Nhóm soạn thảo cho rằng thử nghiệm châm cứu không phù hợp với chế độ hỏng hóc thực tế trong các tiêu chuẩn IEC62660-2 và IEC62660-3 của nước ngoài và không sử dụng thử nghiệm châm cứu để đánh giá độ an toàn của pin. Hiện tại, cách điều chỉnh các thông số thử nghiệm châm cứu rất khó để sao chép hoàn toàn việc sử dụng thực tế của các điều kiện hỏng hóc. Tuy nhiên, tất cả các loại yêu cầu thử nghiệm đều khó có thể sao chép hoàn toàn thử nghiệm tình trạng hỏng hóc thực tế, mà chỉ phản ánh gián tiếp một số chế độ hỏng hóc điển hình được trích xuất từ ​​chế độ hỏng hóc. Trong các ứng dụng thực tế, phải có khả năng vật lạ sẽ đâm vào pin và gây ra hiện tượng đoản mạch trong pin. Ngoài hai tiêu chuẩn IEC là SAEJ2464 và UL2580, các yêu cầu về châm cứu cũng được nêu rõ ràng. Về những khía cạnh này, các yêu cầu về tiêu chuẩn quốc gia đã được giảm bớt. Thị trường xe điện thuần túy ngày nay về mật độ năng lượng pin đang tăng lên và mức độ nguy hiểm của tình trạng hỏng pin trong điều kiện thử nghiệm cũng đang gia tăng.

1.2 Thử nghiệm ngắn mạch

Yêu cầu của ngắn mạch đơn là cực dương và cực âm của pin đơn phải nhỏ hơn 5mΩ quan sát trong 1 giờ qua ngắn mạch ngoài trong 10 phút. Trong quá trình này, pin không được nổ và không bắt lửa. Ngắn mạch mô-đun cần phải là mô-đun pin qua ngắn mạch ngoài trong 10 phút Điện trở đường dây ngoài phải nhỏ hơn 5mΩ quan sát trong 1 giờ. Trong quá trình này, mô-đun pin không được nổ hoặc bắt lửa.

Lấy ví dụ về thử nghiệm ngắn mạch của mô-đun pin vật liệu ba thành phần 60Ah, điện áp pin của mô-đun được sạc đầy là 204V và điện trở ngắn mạch là 3m2. Trong quá trình thử nghiệm, người ta thấy rằng dòng điện xả liên tục của pin với dòng điện cực đại thoáng qua là 3293A trong quá trình ngắn mạch là khoảng 3000A.

Dòng điện lớn sinh ra trong quá trình ngắn mạch sẽ khiến nhiệt độ pin nóng sinh ra bên trong pin lithium-ion tăng nhanh. Dưới tác động của nhiệt độ cao, phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng sinh khí giữa vật liệu điện cực dương và điện cực âm và chất điện phân được mô tả ở đây sẽ xảy ra bên trong pin. Chất điện phân bay hơi và các khí dễ cháy khác sẽ nổ tung qua vỏ pin và lan ra không khí như thể hiện trong Hình 3, trong khi nhiệt độ cao sẽ đốt cháy cacbonat tuyến tính có điểm chớp cháy thấp hơn để tạo thành hiện tượng cháy pin như thể hiện trong Hình 4.

Một khả năng khác là cháy bên ngoài pin do chập mạch. Nhiệt độ của pin tiếp tục tăng trong quá trình chập mạch và nhiệt độ cao sẽ đốt cháy các dây giá đỡ dễ cháy ở bên ngoài pin hoặc lớp vỏ bảo vệ pin không chống cháy như trong Hình 5.