Thử nghiệm nghiền pin Li-ion
Do hạn chế về vật liệu, công nghệ pin và quy trình sản xuất, pin lithium ion luôn có nguy cơ cháy nổ đáng kể trong quá trình sử dụng. Sự an toàn của pin lithium ion khi va chạm và đè bẹp luôn là trọng tâm chú ý.
Nhìn chung, lý do cơ bản gây ra hỏa hoạn do tác động bên ngoài lên pin lithium ion là do hiện tượng đoản mạch bên trong pin do biến dạng và hư hỏng nghiêm trọng, dẫn đến phản ứng điện hóa nghiêm trọng và tỏa nhiệt cao bên trong pin, cuối cùng dẫn đến hiện tượng nhiệt thoát ra ngoài và cháy nổ pin.
Các nhà nghiên cứu đã thu được hành vi hỏng hóc của pin lithium ion hình trụ dưới các lực bên ngoài cơ học khác nhau thông qua các thí nghiệm về tính toàn vẹn cơ học và mô phỏng số. Một số nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin lithium ion 18650 dưới nhiều phương pháp nghiền khác nhau và phát hiện ra rằng ngay cả khi pin không bị hỏng hoặc vỡ khi nén, nó vẫn có thể phát triển thành một tai nạn thảm khốc. Nhiều báo cáo nghiên cứu tập trung nhiều hơn vào lý thuyết cơ bản về quá trình cháy mất kiểm soát nhiệt của pin lithium ion, trong khi tương đối ít nghiên cứu được tiến hành về thử nghiệm an toàn của pin lithium ion trong quá trình nghiền.
Bài viết này có ý định tiến hành các thí nghiệm đùn hệ thống trên các loại pin lithium ion thông thường. Tác động của các điều kiện nghiền khác nhau đến an toàn cháy nổ của pin lithium ion đã được nghiên cứu.
1.Thử nghiệm
Pin 18650，50% SOC，Số 1,2,3
Bốn tốc độ nghiền được thử nghiệm lần lượt là 50 mm/phút, 100 mm/phút, 200 mm/phút và 400 mm/phút, và các biến dạng nghiền lần lượt là 10%, 20%, 30%, 40% và 50%. Bóp pin ở tốc độ nghiền không đổi đã cài đặt. Khi biến dạng pin đạt đến giá trị đã cài đặt, hãy dừng bóp và quan sát pin.
Trong quá trình thí nghiệm, cặp nhiệt điện loại K cảm biến nhiệt độ được cố định vào điện cực dương của pin lithium ion. Sử dụng thiết bị thu thập nhiệt độ tùy chỉnh để thu thập dữ liệu nhiệt độ được đo bằng cặp nhiệt điện. Ghi lại sự thay đổi nhiệt độ của điện cực dương trong quá trình thí nghiệm.
2. Kết quả
2.1 Ảnh hưởng của biến dạng nghiền
Khi biến dạng ép thấp hơn 20%, nhiệt độ bề mặt của điện cực dương sau khi ép đùn số 1 không thay đổi đáng kể. Khi biến dạng ép đạt 30%, nhiệt độ bề mặt của điện cực dương tăng đáng kể và nhiệt độ tăng nhanh hơn. Nhiệt độ đạt giá trị cực đại trong vòng 90 giây và sau đó giảm chậm.
Sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt điện cực dương của số 2 tương tự như số 1. Khi biến dạng ép thấp hơn 20%, sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt điện cực dương không đáng kể. Khi biến dạng đùn là 30%, nhiệt độ của điện cực dương tăng lên, với nhiệt độ tối đa khoảng 37 ℃. Nhiệt độ giảm chậm sau một thời gian tỏa nhiệt dài. Khi biến dạng đùn là 40%, nhiệt độ của điện cực dương của pin tăng nhanh và nhiệt độ tối đa tăng lên khoảng 57 ℃ và một lượng lớn chất điện phân chảy ra khỏi điện cực dương. Khi biến dạng biến dạng được đặt thành 50% để đùn, xu hướng thay đổi nhiệt độ của điện cực dương của pin tương tự như khi biến dạng là 40%. Nhiệt độ tối đa tăng lên khoảng 63 ℃ trong khi một lượng lớn chất điện phân chảy ra.
Sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt điện cực dương của số 3 khác biệt đáng kể so với số 1 và số 2. Khi biến dạng nghiền thấp hơn 10%, nhiệt độ bề mặt điện cực dương không thay đổi đáng kể. Khi biến dạng nghiền là 20%, nhiệt độ của điện cực dương tăng đáng kể và nhiệt độ tối đa đạt khoảng 47 ℃, với một lượng nhỏ chất điện phân chảy ra. Khi biến dạng nghiền là 30% và 40%, nhiệt độ điện cực dương tăng nhẹ rồi giảm chậm. Sau khi nới lỏng đầu nghiền, nhiệt độ lại tăng. Khi biến dạng nghiền là 50%, pin sẽ bị vỡ sau khi bị ép và nhiệt độ của điện cực dương sẽ nhanh chóng tăng lên khoảng 95 ℃. Sau đó, nhiệt độ của đầu nghiền được giải phóng sẽ tăng trở lại.
Pin điện cực dương lithium coban oxit không biểu hiện bất thường về nhiệt độ đáng kể khi biến dạng nghiền nằm trong phạm vi 20% và chỉ khi biến dạng nghiền khô 30% thì chúng mới dễ dàng sinh ra nhiệt và nhiệt, tạo ra nguy cơ cháy nổ nhất định. Nhiệt độ điện cực dương của pin điện cực dương vật liệu ba thành phần tăng đáng kể khi biến dạng nhạy cảm của pin là 20% và nhiệt độ điện cực dương tối đa trong thí nghiệm nghiền có thể tăng lên khoảng 95 ℃, cao hơn 66 ℃ của pin điện cực dương lithium coban oxit, cho thấy pin điện cực dương vật liệu ba thành phần có nguy cơ cháy nổ lớn hơn khi chịu tác động của lực nghiền bên ngoài. Kết quả nghiền dưới các biến dạng khác nhau cho thấy biến dạng thực nghiệm nghiền để đánh giá mức độ an toàn cháy nổ của pin lithium ion nên được đặt thành ≥ 30%.
2.2 Tác động của tốc độ nghiền
Đặt biến hình dạng thành 30%. Nhiệt độ bề mặt điện cực dương của mỗi pin thay đổi theo thời gian ở các tốc độ nghiền khác nhau.
Nhiệt độ bề mặt của điện cực dương số 1 tăng nhanh sau khi bị nghiền nát. Trong quá trình thí nghiệm, người ta quan sát thấy một lượng lớn chất điện phân chảy ra. Khi tốc độ nghiền là 100 mm/phút, 200 mm/phút và 400 mm/phút, nhiệt độ tối đa lần lượt là khoảng 68 ℃, 81 ℃ và 71 ℃. Tốc độ nghiền ít ảnh hưởng đến sự gia tăng nhiệt độ của 1. Các tốc độ nghiền khác nhau có cùng tốc độ biến dạng và sự gia tăng nhiệt độ của điện cực dương về cơ bản là giống nhau.
Dung lượng pin tăng từ 2,2 Ah ở số 1 lên 2,6 Ah ở số 2, khiến pin nhạy cảm hơn với tốc độ nghiền. Nhiệt độ tăng lên của bề mặt điện cực dương tiếp tục tăng theo tốc độ nghiền. Khi tốc độ nghiền tăng từ 100 mm/phút lên 400 mm/phút, nhiệt độ tối đa của bề mặt điện cực dương tăng từ khoảng 65 ℃ lên khoảng 95 ℃, kèm theo lượng lớn chất điện phân chảy ra.
Sự thay đổi nhiệt độ của bề mặt điện cực dương số 3 tương tự như số 2. Tốc độ nghiền càng lớn thì nhiệt độ tăng càng cao. Khi tốc độ nghiền là 50 mm/phút
Ở tốc độ 100 mm/phút và 400 mm/phút, nhiệt độ tối đa lần lượt là khoảng 65℃, 78℃ và 106℃, cao hơn nhiệt độ tối đa của số 2 trong cùng điều kiện thực nghiệm. Ở tốc độ ép 200 mm/phút, số 3 phát nổ, tạo ra một lượng lớn khói trắng bên trong màng và chất điện phân phun ra từ điện cực dương.
Kết quả thử nghiệm về các tốc độ nghiền khác nhau cho thấy tốc độ nghiền càng cao thì nhiệt độ tăng của pin lithium ion càng cao, nguy cơ cháy nổ càng lớn. Trong ba loại pin lithium ion, pin điện cực dương vật liệu ba thành phần thể hiện mức tăng nhiệt độ lớn nhất khi tốc độ nghiền tăng và nhiệt độ tối đa có thể đạt được là cao nhất, cho thấy rủi ro lớn nhất. Từ so sánh thử nghiệm về các tốc độ nghiền khác nhau, có thể thấy tốc độ nghiền phải ≥ 200mm/phút trong quá trình đánh giá an toàn cháy nổ của pin lithium ion, để quan sát tốt hơn sự khác biệt giữa các loại pin lithium ion khác nhau. Đồng thời, sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt pin lithium ion có thể được sử dụng làm cơ sở quan trọng để đánh giá an toàn cháy nổ, đặc biệt nếu nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên trên 100 trong quá trình đùn, thì nguy cơ cháy nổ đối với pin lithium ion sẽ cao hơn.
3.Kết luận
Pin lithium ion dễ bị đoản mạch bên trong, có thể dẫn đến đánh lửa, cháy và thậm chí nổ dưới áp suất bên ngoài. Để nghiên cứu nguy cơ cháy của pin lithium ion trong điều kiện nghiền, ba loại pin lithium ion đã được chọn để thực hiện các thí nghiệm đánh lửa nghiền dưới các biến dạng nghiền khác nhau và tốc độ nghiền khác nhau. Các kết luận sau đây đã được rút ra: Khi biến dạng nghiền của pin điện cực dương oxit lithium coban nằm trong phạm vi 20%, không có nguy cơ bất thường đáng kể về nhiệt độ pin; Chỉ khi biến dạng nghiền đạt 30% thì mới dễ sinh ra nhiệt và nhiệt, dẫn đến một số nguy cơ cháy nổ.
Khi biến thiên hình dạng của pin điện cực dương vật liệu ba thành phần là 20%, có sự gia tăng nhiệt độ đáng kể đạt đến nhiệt độ tối đa cao hơn đáng kể so với pin điện cực dương oxit lithium coban. Khi chịu tác động nén bên ngoài, có nguy cơ cháy nổ tiềm ẩn lớn hơn. Khi tốc độ nghiền tăng lên, nhiệt độ tăng của pin lithium ion cũng tăng lên và nguy cơ cháy nổ cũng tăng theo.
So với pin điện cực dương lithium coban oxit, pin điện cực dương vật liệu ba thành phần đạt nhiệt độ cao hơn với mức tăng nhiệt độ lớn hơn khi tốc độ nghiền tăng và dễ xảy ra cháy nổ hơn.
Khi đánh giá tính an toàn cháy nổ của pin lithium ion thông qua các thí nghiệm nghiền, biến hình dạng phải được đặt thành 30% và tốc độ nghiền phải được đặt thành 200 mm/phút. Đồng thời, sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt pin lithium ion có thể là cơ sở quan trọng để đánh giá tính an toàn cháy nổ.
