Nghiên cứu về thử nghiệm lạm dụng nhiệt cho pin Lithium-ion
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.
