Trong những năm gần đây, các quốc gia trên thế giới liên tục tăng cường chính sách hỗ trợ cho xe năng lượng mới, các công ty ô tô như Tesla cũng đã tung ra các mẫu xe mới. Điều này đã dẫn đến sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường xe điện toàn cầu. Tuy nhiên, các vụ tai nạn cháy nổ xe điện đã xảy ra nhiều lần, khiến vấn đề an toàn trở thành trọng tâm của người tiêu dùng. Trong bối cảnh này, các quốc gia và tổ chức quốc tế có liên quan đã ban hành các tiêu chuẩn về thử nghiệm an toàn pin điện để chuẩn hóa việc sử dụng pin điện an toàn.

Hiện nay, các tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật quốc tế liên quan đến tính an toàn của pin điện được thể hiện trong hình. Trong số đó, các tiêu chuẩn do ISO (Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế), IEC (Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế) và SAE International (Hiệp hội Kỹ sư Ô tô) ban hành là các tiêu chuẩn quốc tế, có ý nghĩa tham chiếu mạnh mẽ đối với các tiêu chuẩn quốc gia, Theo quy định trong JIS C8715-2-2012 Pin lithium thứ cấp cho các ứng dụng công nghiệp – Phần 2: Yêu cầu về thử nghiệm và an toàn của Nhật Bản, các tiêu chuẩn IEC 62660 series được ưu tiên cho pin cho xe cơ giới.

UL 2580 là tiêu chuẩn pin lithium điện do Underwriters Laboratories (UL) của Hoa Kỳ ban hành. Tiêu chuẩn này bao gồm nhiều nội dung, bao gồm hiệu suất điện, tính phù hợp với môi trường và các yêu cầu về an toàn của từng loại pin, mô-đun pin, cụm pin và hệ thống pin, cũng như các thử nghiệm an toàn cơ bản đối với các thành phần pin trên dây chuyền sản xuất. Đồng thời, tiêu chuẩn này cũng tăng cường các yêu cầu đánh giá an toàn trong hệ thống quản lý pin, hệ thống làm mát và thiết kế mạch bảo vệ. ECE R100 là quy định về xe của Ủy ban Kinh tế Liên hợp quốc tại Châu Âu. Tiêu chuẩn được chia thành hai phần. Phần 2 của tiêu chuẩn nêu chi tiết về tính an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng có thể sạc lại (REES) cho xe. Ngoài các tiêu chuẩn trên, FreedomCAR của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ có kế hoạch ra mắt sổ tay kiểm tra an toàn cho pin điện dành cho xe điện vào năm 2005, trong đó cung cấp các điều khoản toàn diện về thử nghiệm an toàn của pin điện.

Theo đặc điểm của các hạng mục kiểm tra, kiểm tra an toàn nói chung có thể được chia thành kiểm tra an toàn cơ học (rung, va đập, rơi, đâm thủng, v.v.), kiểm tra an toàn môi trường (sốc nhiệt, độ ổn định nhiệt, cháy, v.v.) và kiểm tra an toàn điện (ngắn mạch, quá tải, xả quá mức, v.v.). Trong số đó, chu kỳ sốc nhiệt, ngắn mạch, quá tải, xả quá mức, rung, va đập cơ học, đùn và các dự án khác được sử dụng rộng rãi sẽ được mô tả chi tiết dưới đây.

1.An toàn cơ khí

1.1 Rung động

Rung động là điều không thể tránh khỏi trong quá trình lái xe điện. Do đó, hầu hết các tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật trong bài báo này đều liệt kê rung động là một mục kiểm tra an toàn. Tần số, mật độ phổ công suất và các thông số khác của thử nghiệm rung động thay đổi rất nhiều trong các tiêu chuẩn khác nhau. Thử nghiệm quét hình sin thường được sử dụng để xác định cộng hưởng sản phẩm, trong khi rung động ngẫu nhiên thường mô phỏng cảnh cuộc sống hàng ngày mà mẫu sẽ trải qua.

Các thông số rung động của ISO 12405-1 (2.3) và IEC 62660-2 (3) tham chiếu đến IEC 60068-2-64. Tiêu chuẩn trước đây là tiêu chuẩn (loạt) duy nhất được liệt kê trong Bảng 3 yêu cầu thử nghiệm rung động ở các nhiệt độ khác nhau (- 40 ℃, + 25 ℃, + 75 ℃). Thử nghiệm rung động ban đầu của GB/T 31467.3-2015 tham chiếu đến các tiêu chuẩn loạt ISO 12405 và các thông số rung động giống nhau. Năm 2017, tiêu chuẩn đã thay đổi thử nghiệm rung động thành rung động hình sin và các thông số thử nghiệm cụ thể giống như ECE R100-02. Quét hình sin của SAE J2929 2013 tham chiếu đến UN 38.3-2015 và rung động ngẫu nhiên tham chiếu đến SAEJ2380. Quét hình sin chỉ định rằng các thông số thử nghiệm khác nhau được chọn theo chất lượng của mẫu. Độ rung của pin đơn trong UL 2580-2013 [16] gián tiếp đề cập đến IEC 60068-2-64 thông qua IEC 62660-2.

Độ rung của mô-đun pin và ngăn xếp pin đề cập đến SAE J2380. Mặc dù độ rung ngẫu nhiên của FreedomCAR không nêu rõ là đề cập đến SAE J2380, nhưng các thông số rung của nó giống với thông số sau. Theo quan điểm về thời lượng thử nghiệm rung, thời gian dài nhất là 92,6 giờ và thời gian ngắn nhất là 3 giờ. Có thể thấy rằng thử nghiệm rung đại diện nhiều hơn cho việc lạm dụng pin trong thời gian ngắn hơn là độ bền cơ học trong thời gian dài. IEC63660-2 (3) không đề cập đến hướng rung. ECE R100-02-2013 và GB/T 31487.3-2015 [11] chỉ rung theo hướng thẳng đứng. Các tiêu chuẩn khác rung theo ba hướng vuông góc với nhau, có thể đánh giá toàn diện độ rung mà pin có thể phải chịu trong quá trình sử dụng. Đối với trạng thái sạc (SOC) của các mẫu thử nghiệm, các quy định của nhiều tiêu chuẩn khác nhau thay đổi từ 20% đến 100%.

1.2 Sốc cơ học

Va chạm cơ học nhằm mục đích đánh giá tác động của việc tăng tốc/giảm tốc đột ngột của xe điện lên pin. Từ việc tăng tốc và giảm tốc trong quá trình lái xe bình thường, áp lực lên lề đường khi lái xe ở tốc độ cao đến tai nạn xe hơi, các tình huống này có thể được mô phỏng hoặc mô phỏng một phần thông qua tác động cơ học. Có sự khác biệt lớn trong các quy định của các tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật khác nhau về các điều kiện thử nghiệm (gia tốc cực đại, thời gian, v.v.) của tác động cơ học. Ngoài ra, ISO 12405-3-2014 cũng tham chiếu đến ECE R100-02 trong mục nhập tác động cơ học, nhưng thử nghiệm tác động cơ học của sau này sẽ là thử nghiệm va chạm.

Cả SAE J2464 2009 và SAE J2929 2013 đều tham chiếu đến UN 38.3-2015. Các thông số thử nghiệm được lựa chọn theo khối lượng của mẫu. Gia tốc cực đại với khối lượng nhỏ là lớn và thời gian ngắn. Hai tiêu chuẩn này áp dụng gia tốc cực đại cao hơn nhiều so với các tiêu chuẩn khác cho pin đơn và mô-đun pin/hệ thống pin có khối lượng nhỏ hơn. Mặc dù phạm vi áp dụng khác nhau, các thử nghiệm va đập cơ học của sáu tiêu chuẩn, chẳng hạn như ISO 12405-1 (2.3), IEC 62660-2 (3) và UL 2580-2013, đã gián tiếp tham chiếu đến IEC 60068-2-27 thông qua ISO 16750-3. FreedomCAR chia thử nghiệm va đập thành hai mức: mức thấp (mẫu có thể không bị hư hỏng sau khi thử nghiệm) và mức trung bình (mẫu có thể không hoạt động bình thường sau khi thử nghiệm). Ngoài ra, FreedomCAR cho phép sử dụng các dạng sóng xung khác ngoài sóng nửa sin, trong khi các tiêu chuẩn khác yêu cầu sử dụng sóng nửa sin. Thời lượng do FreedomCAR chỉ định dài hơn các tiêu chuẩn khác và gia tốc cực đại thấp hơn các tiêu chuẩn khác.

1.3 Sự cố

Mục đích của ngày thử nghiệm va chạm là để xác minh hiệu suất an toàn của mẫu dưới tải trọng quán tính do va chạm xe gây ra, vì vậy nó cũng được gọi là tải trọng quán tính khi va chạm xe trong ISO 12405-32014. Mục thử nghiệm này có một số điểm tương đồng với tác động cơ học. ECE R100-02-2013, mặc dù được gọi là va chạm cơ học, nhưng thực chất là một thử nghiệm va chạm. Ngoài ra, hai tiêu chuẩn ISO 12405-3: 2014 và GB/T 31467.3-2015 cũng chỉ định các mục thử nghiệm. Điều đáng nói là các thông số thử nghiệm của thử nghiệm va chạm của ba tiêu chuẩn là giống hệt nhau. Giá trị gia tốc của thử nghiệm va chạm thấp hơn nhiều so với thử nghiệm va chạm cơ học và thời gian xung dài hơn so với thử nghiệm va chạm cơ học.

1.4 Nghiền nát

Thử nghiệm nghiền được sử dụng để đánh giá tác động của lực liên tục lên hình dạng và hiệu suất an toàn của pin khi xe gặp tai nạn hoặc lực bên ngoài khác. Thử nghiệm này được gọi là lực tiếp xúc khi xe va chạm trong ISO 12405-3:2014 và tính toàn vẹn của vỏ pin trong SAE J2929 2013. Thử nghiệm đùn thường tác dụng lực vào pin thông qua một tấm thép có hình dạng được chỉ định cho đến khi đạt đến giá trị áp suất được chỉ định hoặc xảy ra biến dạng nhất định hoặc sụt điện áp đột ngột.

3. So sánh và phân tích thử nghiệm độ xuyên thủng của đinh

So sánh kết quả của sáu nhóm thử nghiệm, pin bị hỏng, nhưng mức độ nghiêm trọng của các thử nghiệm là khác nhau. Theo các đặc điểm thử nghiệm khác nhau, các đặc điểm thử nghiệm của đinh đâm thủng có thể được chia thành ba loại.

Loại I: Ví dụ, pin ở Nhóm 1 và Nhóm 5 chỉ xả chất điện phân, không có khói và nổ;

Lớp II: Ví dụ, mặc dù pin ở Nhóm 3 và Nhóm 6 không phát nổ nhưng một lượng nhỏ khói và chất điện phân đã thoát ra từ van xả áp suất của pin;

Loại III: Ví dụ, pin phát nổ và tạo ra lượng khói lớn trong thử nghiệm nhóm 2 và nhóm 3, gây ra thiệt hại nghiêm trọng. Có thể thấy rằng kết quả của sự thoát nhiệt do đinh đâm vào là ngẫu nhiên hơn, nhưng nó đã gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho pin.

Trong kết quả thử nghiệm loại đầu tiên, pin không có thay đổi rõ ràng sau khi bị đâm thủng vào pin. Sau một thời gian, chất điện phân bắt đầu chảy ra từ từ, kèm theo mùi hăng và chất điện phân chảy ra sau khi pin bị thủng. Trong nhóm thử nghiệm đầu tiên và nhóm thử nghiệm thứ năm, khoảng 120 giây và 80 giây sau khi pin bị thủng, có thể nhìn thấy chất điện phân tích tụ. Sau đó, khi thử nghiệm tiến hành, nhiệt độ tiếp tục tăng và lớp vỏ nhựa của pin xung quanh lưỡi lê bị tan chảy. Bản thân chất điện phân có tính ăn mòn và sẽ phá hủy các vật thể xung quanh pin. Nếu chất điện phân chảy trong bộ pin, độ dẫn điện của chất điện phân cũng sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch bên ngoài cho các pin khác.

Điện áp của kim nhóm 1 và nhóm 5 giảm nhanh sau khi đâm vào pin, sau đó giảm chậm xuống 0 V trong sự dao động liên tục. Nhiệt độ bề mặt của pin trong nhóm 1 và nhóm 5 tăng nhanh sau khi đinh đâm vào. Điểm đo nhiệt độ trên bề mặt pin trong hai nhóm thử nghiệm đạt 90 ~ 100 ℃, sau đó bắt đầu giảm, nhưng nhiệt độ của pin trong nhóm thử nghiệm thứ năm giảm nhanh hơn nhóm thử nghiệm thứ nhất.

Đối với loại kết quả thứ hai, nhóm thử nghiệm thứ tư và nhóm thử nghiệm thứ sáu, pin tạo ra một lượng khói nhỏ và xả chất điện phân. Ví dụ, trong nhóm thử nghiệm thứ tư, khói được đẩy ra từ vị trí bị thủng ở đáy pin vào giây thứ 9 sau khi lưỡi lê đâm vào pin. So với nhóm thử nghiệm thứ tư, pin trong nhóm thử nghiệm thứ sáu phun ra một lượng khói nhỏ và chất điện phân vào giây thứ 24 sau khi đinh đâm vào pin. Trong nhóm thử nghiệm thứ tư và thứ sáu, thời gian pin phát ra khói không được quá 5 giây. Trong hai nhóm thử nghiệm này, điện áp pin giảm nhanh sau khi bị thủng và giảm xuống 0 V trong vòng 90 giây.

Trong hai nhóm thử nghiệm, điểm đo nhiệt độ trên bề mặt pin đạt giá trị cực đại trong khoảng từ 80 đến 110 giây sau khi đinh đâm vào, thường nằm trong khoảng từ 110 đến 130 ℃, sau đó nhiệt độ giảm chậm. So với loại thử nghiệm đầu tiên, điện áp pin trong loại thử nghiệm thứ hai giảm nhanh hơn và nhiệt độ bề mặt của pin cao hơn, điều này cho thấy loại thử nghiệm thứ hai tạo ra nhiều nhiệt phản ứng, nhiệt joule và nhiệt phân cực hơn, và khói phát ra cho thấy nhiều nhiệt phản ứng phụ hơn.

Trong loại thử nghiệm thứ ba, nhóm thử nghiệm thứ hai và thứ ba đã tạo ra các vụ nổ rất nghiêm trọng. Nhóm thử nghiệm thứ hai bắt đầu phát ra khói 3 giây sau khi bị thủng, và tiếng nổ và khói nhiều hơn có thể được nghe thấy 5 giây sau đó. Sau đó, pin tiếp tục phát ra khói và chất điện phân ngay lập tức phát nổ và bắn tung tóe vào thành trong của buồng thử nghiệm. Đối với nhóm thử nghiệm thứ ba, pin không thay đổi trong vòng 15 giây sau khi pin bị thủng, và sau đó bắt đầu phát ra một lượng khói nhỏ. Vào giây thứ 34 sau khi pin bị thủng, pin đột nhiên phát nổ dữ dội, buồng thử nghiệm ngay lập tức tràn ngập khói và chất điện phân bắn tung tóe vào thành trong của buồng thử nghiệm.

Trong thử nghiệm đâm thủng bằng đinh của nhóm thứ hai và thứ ba, sự thay đổi điện áp của pin giảm nhanh sau khi bị đâm thủng và giảm xuống 0V trong vòng 30 giây sau khi bị đâm thủng. Nhiệt độ bề mặt của pin nhóm thứ hai và thứ ba tăng nhanh sau khi bị đinh đâm thủng. Trong hai nhóm thử nghiệm, trong khoảng từ 50 đến 150 giây sau khi bị đinh đâm thủng, nhiệt độ của bề mặt pin đạt giá trị cực đại trong khoảng từ 160 đến 200 ℃, sau đó nhiệt độ giảm chậm. Có thể thấy rằng phản ứng của pin sau khi bị đinh đâm thủng càng mạnh thì nhiệt độ có thể đạt được càng cao. Trong ba loại thử nghiệm, điện áp pin trong loại thử nghiệm thứ ba giảm nhanh nhất và nhiệt độ tăng cao nhất, do đó nhiệt phản ứng, nhiệt cốc hóa và nhiệt phân cực tạo ra nhiều nhất, trong khi phản ứng mất kiểm soát nhiệt trong loại thử nghiệm thứ ba là nghiêm trọng nhất, cho thấy loại thử nghiệm thứ ba tạo ra nhiều nhiệt phản ứng phụ nhất.

Qua phân tích ba loại kết quả thử nghiệm trên, có thể thấy rằng ảnh hưởng của sự xuyên thủng của đinh đối với sự mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng của pin lithium sắt phosphate hình trụ có tính ngẫu nhiên nhất định và nguyên nhân của tính ngẫu nhiên liên quan đến giao diện tiếp xúc ngẫu nhiên được hình thành sau khi pin bị thủng. Tiếp xúc tốt giữa kim và bộ phận điện cực bên trong pin, cũng như số lượng bộ phận điện cực tham gia vào quá trình phóng điện sau khi pin bị thủng, sẽ gây ra các tình huống mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng khác nhau. Có thể thấy rằng một khi pin bị hư hỏng do đinh xuyên thủng, nó không chỉ làm hỏng bản thân pin mà còn ảnh hưởng đến các vật thể xung quanh pin nếu pin phát nổ.

4.Kết luận

Trong bài báo này, ở nhiệt độ phòng ban đầu là 20 ℃ Với kim thép vonfram Φ 5 mm, sáu nhóm thử nghiệm kim đã được thực hiện trên pin sắt phosphate lithium 32650 hình trụ ở trạng thái sạc đầy (SOC-1) để quan sát sự thay đổi của điện áp pin và nhiệt độ bề mặt trong quá trình kim. Theo kết quả thử nghiệm, có thể thấy rằng sự mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng do đinh đâm là ngẫu nhiên và giao diện tiếp xúc ngẫu nhiên giữa kim và bộ phận điện cực bị hỏng dẫn đến sự mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng một cách ngẫu nhiên. Các đặc điểm tương ứng của pin mất kiểm soát nhiệt bao gồm dòng điện phân chảy ra, phát thải khói và nổ.

Sau khi đinh đâm xuyên , điện áp của pin sẽ giảm xuống 0 V. Điện áp của pin chỉ chảy ra khỏi chất điện phân sẽ giảm chậm và điện áp của pin phát nổ hoặc phát ra khói sẽ giảm nhanh chóng. Đinh đâm xuyên sẽ khiến nhiệt độ của pin tăng lên. Phản ứng nhiệt độ của pin càng mạnh thì nhiệt độ tăng càng nhanh và cao. Thiệt hại cho pin lithium sắt phosphate do đinh đâm xuyên là tử vong. Đề xuất rằng trong nghiên cứu phát triển và sử dụng pin trong tương lai, thiết kế cấu trúc pin hình trụ phải có thể ngăn ngừa đinh đâm xuyên hoặc đinh đâm xuyên không gây hại và bên ngoài pin cũng phải được bảo vệ để tránh pin bị thủng.

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.

1. An toàn của pin lithium-ion trong điều kiện quá nhiệt

Các vấn đề về an toàn của pin lithium-ion chủ yếu biểu hiện bằng cháy nổ do nhiệt độ không được kiểm soát. Nguyên nhân gây ra sự mất kiểm soát nhiệt có thể được chia thành các điều kiện bên ngoài và điều kiện bên trong. Nhiệt độ bên trong của pin cũng tiếp tục tăng khi nhiệt độ bên ngoài tiếp tục tăng. Khi nhiệt độ tăng đến một nhiệt độ nhất định, màng ngăn sẽ được đóng nhiệt và các cực dương và cực âm sẽ được cách ly để bảo vệ an toàn. Tuy nhiên, nếu màng ngăn không đóng hiệu quả, hoặc màng ngăn tan chảy và vỡ, hoặc các phản ứng tỏa nhiệt khác xảy ra bên trong pin cùng một lúc, do đó nhiệt độ pin tiếp tục cao, có thể gây ra các vấn đề về an toàn. Có thể thấy rằng các vấn đề về an toàn do quá nhiệt là kết quả của tác động toàn diện của các điều kiện bên trong và bên ngoài.

Ví dụ, khi nhiệt độ của pin hệ thống lithium cobaltate vượt quá giới hạn an toàn (chẳng hạn như 150℃), rất dễ gây ra cháy nổ pin do tính ổn định nhiệt của màng ngăn và phản ứng oxy hóa mạnh của chất điện phân và cực dương.

2. Phương pháp kiểm tra quá nhiệt pin lithium ion

Hiện nay, các tiêu chuẩn đánh giá độ an toàn của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm các tiêu chuẩn quốc tế (như tiêu chuẩn IEC ), tiêu chuẩn quốc gia hoặc khu vực (như tiêu chuẩn JIS, GB, EN, v.v.) và tiêu chuẩn công nghiệp (như tiêu chuẩn UL , IEEE, SJ, QB, v.v.). Trong các tiêu chuẩn này, nhiều người đã sử dụng “ thử nghiệm lạm dụng nhiệt ” để đánh giá độ an toàn của pin lithium-ion trong điều kiện quá nhiệt. Ví dụ, phương pháp thử nghiệm lạm dụng nhiệt được chỉ định trong IEC 62133 : 2002 như sau: “Sau khi pin được sạc đầy ổn định ở nhiệt độ phòng, đặt pin vào bộ điều nhiệt có đối lưu không khí tự nhiên hoặc tuần hoàn và bộ điều nhiệt được làm nóng đến 130 ℃ ± 2 ℃ với tốc độ 5 ℃/phút ± 2 ℃/phút. Duy trì nhiệt độ này và dừng thử nghiệm sau 10 phút để kiểm tra xem pin có bị cháy hoặc phát nổ không”. Các tiêu chuẩn này về cơ bản phù hợp với phương pháp thử nghiệm để thử nghiệm lạm dụng nhiệt, Chỉ có điều kiện thử nghiệm là hơi khác một chút.

Tiêu chuẩn pin lithium-ion, được phát minh vài năm sau khi phát minh ra pin lithium sơ cấp, cũng được xây dựng sau tiêu chuẩn pin lithium sơ cấp. Nhiều thử nghiệm an toàn pin lithium-ion cũng dựa trên pin lithium sơ cấp. Thử nghiệm lạm dụng nhiệt của pin lithium-ion bắt nguồn từ thử nghiệm lạm dụng nhiệt của pin lithium sơ cấp. Ví dụ, thử nghiệm lạm dụng nhiệt của pin lithium-ion trong IEC 62133 về cơ bản phù hợp với thử nghiệm lạm dụng nhiệt của pin lithium sơ cấp trong IEC 60086-4 Pin sơ cấp – Phần 4: Yêu cầu an toàn cho pin lithium, được phát triển trước đó.

3. Phân tích các điều kiện thử nghiệm

3.1 Phân tích thời gian giữ nhiệt độ cao

Trong các tiêu chuẩn hiện hành, phương pháp thử nghiệm pin lithium-ion về cơ bản là “lò ấp nóng lên đến một nhiệt độ cao nhất định với tốc độ nhất định và duy trì ở nhiệt độ này trong một khoảng thời gian”. Thời gian giữ của phương pháp thử nghiệm này bắt đầu khi nhiệt độ của lò ấp đạt đến một nhiệt độ cao nhất định. Tuy nhiên, phương pháp này thiếu công bằng đối với các loại pin khác nhau, đặc biệt là đối với các loại pin có kích thước khác nhau. Tốc độ làm nóng của các loại pin khác nhau không nhất thiết phải giống nhau. Do sự khác biệt lớn giữa tốc độ truyền nhiệt của pin lithium-ion và không khí, nên tốc độ làm nóng của pin thấp hơn tốc độ của bộ điều nhiệt. Nhiệt độ của pin lithium-ion không thể hoàn toàn phù hợp với nhiệt độ trong bộ điều nhiệt. Do đó, khi nhiệt độ trong lò ấp đạt đến một nhiệt độ cao nhất định, pin sẽ mất một khoảng thời gian để duy trì cùng nhiệt độ với lò ấp. Do vật liệu, hình dạng, kích thước và chất lượng của pin khác nhau nên thời gian cân bằng cần thiết cũng khác nhau.

Bốn loại pin lithium-ion điển hình được chọn làm mẫu: pin vuông dung lượng nhỏ, pin hình trụ, pin vuông dung lượng lớn và pin polymer. Đặt mẫu vào lò ấp, làm nóng đến 130℃ với tốc độ 5℃/phút và giữ trong một khoảng thời gian.

Qua so sánh, có thể kết luận rằng tốc độ tăng nhiệt độ của các loại pin khác nhau có sự chênh lệch lớn, đặc biệt là đối với pin lớn, thời gian cân bằng nhiệt dài hơn. Sau khi nhiệt độ của lồng ấp tăng lên mức tối đa và duy trì trong 10 phút, nhiệt độ bề mặt của các cell khác, ngoại trừ mẫu (cell polyme), vẫn chưa tăng lên đến nhiệt độ tối đa.

Tóm lại, không giống nhau đối với các loại pin khác nhau khi bắt đầu tính thời gian khi nhiệt độ của lồng ấp tăng lên đến một nhiệt độ nhất định. Đặc biệt đối với các loại pin lớn, mục đích thử nghiệm và đánh giá chưa đạt được vì pin chưa đạt đến nhiệt độ thử nghiệm. Tuy nhiên, hợp lý hơn là theo dõi nhiệt độ bề mặt của pin trong quá trình thử nghiệm và lấy nhiệt độ bề mặt của pin đạt đến một nhiệt độ nhất định làm điều kiện bắt đầu để tính thời gian. Tuy nhiên, khó vận hành vì thời gian cân bằng của mỗi mẫu có thể hơi khác nhau khi thử nghiệm ít nhất ba mẫu cùng một lúc. Loại pin được sử dụng trong các sản phẩm điện tử hiện tại được xem xét toàn diện và cân nhắc nghiêm ngặt. Sẽ hợp lý hơn nếu lấy nhiệt độ của lồng ấp làm điều kiện thử nghiệm sau khi tăng đến một nhiệt độ nhất định và duy trì trong 30 phút.

3.2 Phân tích nhiệt độ thử nghiệm tối đa

Nhiệt độ tối đa mà các vật liệu pin khác nhau có thể chịu được là khác nhau và có thể chịu được nhiệt độ cao hơn có nghĩa là pin có độ an toàn cao hơn trong điều kiện quá nhiệt. Các đặc tính nhiệt của vật liệu màng ngăn rất quan trọng đối với độ an toàn nhiệt của pin lithium-ion và nhiệt độ tối đa mà các vật liệu màng ngăn khác nhau có thể chịu được cũng khác nhau. Các vật liệu màng ngăn thường được sử dụng bao gồm PE, PP và PE-PP-PE, có thể chịu được nhiệt độ tối đa là 130 ℃ ~ 150 ℃. Độ an toàn quá nhiệt của pin do chúng sản xuất cũng không nhất quán. Bốn mẫu pin trên đã được thử nghiệm lạm dụng nhiệt ở lần lượt là 130 ℃, 140 ℃, 145 ℃ và 150 ℃.

Có thể thấy từ thử nghiệm thực tế rằng trong thử nghiệm lạm dụng nhiệt ở 130 ℃, pin hầu như không có phản ứng tỏa nhiệt riêng sau khi cân bằng nhiệt, khiến nhiệt độ tăng lên tự phát, trong khi trong thử nghiệm ở 135 ℃, 140 ℃, 145 ℃ và 150 ℃, phản ứng tỏa nhiệt riêng của nó xảy ra ở các mức độ khác nhau và nhiệt độ thử nghiệm càng cao, phản ứng tỏa nhiệt càng mạnh. Khi nhiệt độ thử nghiệm tăng lên, phản ứng tự làm nóng của pin dần dần tăng cường, đánh giá về độ an toàn nghiêm trọng hơn và nguy cơ cháy nổ tăng lên.

Có thể thấy từ trên rằng 130 ℃ chỉ có thể được sử dụng làm nhiệt độ thử nghiệm cơ bản nhất để đánh giá lạm dụng nhiệt. Đồng thời, nhiệt độ thử nghiệm cũng có thể được tăng lên theo các dịp sử dụng khác nhau của pin. Ngoài ra, thử nghiệm cũng cho thấy rằng nếu nhiệt độ pin tăng lên đến nhiệt độ cài đặt, nếu quá trình gia nhiệt không dừng lại ngay lập tức, pin sẽ được giữ ở nhiệt độ cài đặt trong một khoảng thời gian để đảm bảo có thể xảy ra phản ứng tự nhiệt đủ để đánh giá tốt hơn về độ an toàn quá nhiệt của pin.

4.Kết luận

Các vấn đề an toàn của pin lithium-ion chủ yếu là do nhiệt độ tăng cao. Đối với pin lithium-ion được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, cũng có thể xem xét đánh giá thêm về độ an toàn của pin lithium-ion bằng cách tăng nhiệt độ thử nghiệm, kéo dài thời gian giữ nhiệt độ cao và các phương pháp khác để thắt chặt điều kiện thử nghiệm.