Như đã biết, tính an toàn của cell pin và bộ pin trong quá trình sử dụng có tác động đáng kể đến tính an toàn của người dùng. Dự án này chủ yếu nghiên cứu tác động của cell pin và bộ pin lithium-ion lên người dùng sau khi bị vật lạ đâm thủng. Pin lithium-ion là loại pin sạc dung lượng cao được phát triển vào những năm 1990. Nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn pin niken hydro. Nó có năng lượng riêng lớn, tuổi thọ chu kỳ dài, tỷ lệ tự xả thấp và không có hiệu ứng nhớ. Nó có thể đáp ứng nhu cầu của các phương tiện chở khách có yêu cầu cao về thể tích, tuổi thọ, công suất, v.v. Nó đã trở thành sản phẩm lý tưởng cho các ứng dụng xe điện thuần túy trong tương lai.

Không chỉ trong ngành xe điện, người tiêu dùng ưa chuộng pin đơn hoặc vài chục pin, pin lithium-ion đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, bất kể ngành công nghiệp hay người dùng nào, đều có yêu cầu cao về an toàn trong quá trình sử dụng, đặc biệt là đối với các hệ thống pin điện đòi hỏi phải kết hợp nhiều cell riêng lẻ thành một bộ pin. Nếu có sự can thiệp nghiêm trọng từ các vật thể bên ngoài trong quá trình sử dụng, bộ pin sẽ có mức độ nguy hiểm an toàn cao, gây hại cho cá nhân và tài sản. Trước tình hình này, cần phải nghiên cứu mức độ tác động của sự can thiệp bên ngoài đến việc sử dụng từng cell và bộ pin, để nâng cao tính an toàn khi sử dụng bộ pin.

1.Thử nghiệm

Đối tượng thử nghiệm: Bộ pin 30P bao gồm các cell pin lithium-ion hình trụ có dung lượng danh định là 2700mAh và các cell pin lithium-ion hình trụ có dung lượng danh định là 2700mAh.

Thiết bị kiểm tra: cáp đồng, rơ le, nguồn điện áp không đổi và Buồng thử độ xuyên đinh DGBELL (kim có đường kính φ 5mm, độ xuyên sâu ít nhất bằng 2/3 ô pin).

2.Thử nghiệm độ xuyên thủng của tế bào đơn

Tế bào đơn 100% SOC, tiến hành thử nghiệm đâm xuyên bằng đinh ở trạng thái không phóng điện.

Cho dù là đinh xuyên ngang hay đinh xuyên dọc. Nhiệt độ cao nhất của cell sau khi đinh xuyên là khoảng 100 ℃. Các cell pin không nổ, không bắt lửa và tỏa ra khói nhẹ. Từ đó có thể thấy rằng ở trạng thái không xả (tức là năng lượng đầy đủ), cell đơn lẻ sẽ không gây nguy hiểm cho tính mạng và tài sản của con người sau khi thử nghiệm đâm đinh theo các hướng khác nhau từ bên ngoài.

3 Thử nghiệm độ xuyên thủng của đinh vào bộ pin

Các thành phần mạch điện gồm: (1) Bộ pin: pin lithium-ion đơn 30P, 100% SOC, 8lAh, ACR=1.7mn; (2) Cáp đồng: đường kính 10mm, 18m, tổng điện trở 14m (để dòng điện trong mạch gần bằng dòng điện của bộ pin 1C); (3) Rơ le; (4) Nguồn điện áp không đổi: công tắc rơ le.

Mô phỏng thử nghiệm bộ pin chịu tác động từ bên ngoài trong quá trình sử dụng bằng cách sử dụng Buồng thử độ xuyên đinh DGBELL .

Có hai loại thí nghiệm được xác định:

• (1) Mạch điện thuộc trạng thái đường dẫn, tức là khi xả, pin bị thủng để quan sát trạng thái cuối cùng của pin;
• (2) Mạch ở trạng thái hở mạch, tức là không xả, kiểm tra bộ pin và quan sát trạng thái cuối cùng của bộ pin.

3.1 Thử nghiệm độ xuyên đinh trong trạng thái đường dẫn mạch

Theo sơ đồ mạch điện trên, kết hợp các thành phần khác nhau để tạo thành một mạch điện và đặt công tắc ở nơi an toàn hơn. Sau đó đặt bộ pin lên giường kim của thiết bị châm cứu và cố định lớp bảo vệ. Thu thập tổng điện áp của bộ pin, nhiệt độ tại 4 điểm gần vị trí kim và trong mạch điện và dòng điện trong mạch điện.

Khi đã sẵn sàng, hãy tắt công tắc rơle để tạo đường dẫn cho mạch điện. Nhấn công tắc thiết bị kim để đưa kim vào bên trong cell pin và giữ trong 10 giây. Tháo kim ra và quan sát bộ pin. Cell pin bị thủng sẽ phát ra khói. Sau 1 phút, khói giảm dần và đinh lại xuyên vào bên trong cell pin và giữ trong 10 giây. Lặp lại quá trình này 3 lần.

Trong quá trình châm cứu, bộ pin chỉ thải ra một lượng nhỏ khói đặc mà không có bất thường nào khác; cho đến khi kết thúc quá trình châm cứu, không có hiện tượng bất thường nào như nổ hay cháy ở bộ pin.

Thí nghiệm trên cho thấy khi bộ pin chịu tác động từ bên ngoài trong quá trình sử dụng, chỉ cần duy trì quá trình phóng điện liên tục và giải phóng năng lượng bên trong thì có thể loại bỏ các mối nguy hiểm về an toàn, tránh xảy ra nguy hiểm.

3.2Thử nghiệm độ xuyên đinh trong trạng thái mạch hở

Các thí nghiệm đều giống như bộ pin đục kim ở trạng thái đường dẫn mạch 3.1, điểm khác biệt duy nhất là công tắc rơle luôn ở trạng thái mở và mạch không phải là đường dẫn, nghĩa là bộ pin được đục kim ở trạng thái không xả.

Kết quả châm cứu là nhiệt độ cao nhất xung quanh tế bào châm cứu đạt 260 ℃, năm tế bào xung quanh phát nổ và bốc cháy, khiến toàn bộ bộ pin nổ tung. Từ các thử nghiệm trên, có thể thấy rằng việc đâm thủng bộ pin mà không giải phóng năng lượng gây ra mối đe dọa nghiêm trọng cho người dùng.

4.Kết luận

Kết quả thử nghiệm trên cho thấy ngay cả khi một cell pin bị thủng bởi các vật thể bên ngoài mà không giải phóng năng lượng thì cũng không có hiện tượng bất thường nào như nổ, cháy và người dùng có thể yên tâm sử dụng; Bộ pin sẽ không gặp bất kỳ hiện tượng bất thường nào như nổ, cháy khi bị thủng bởi các vật thể bên ngoài trong khi giải phóng năng lượng và không có nguy cơ an toàn nào đối với bộ pin; Tuy nhiên, nếu bộ pin bị thủng bởi các vật thể lạ mà không giải phóng năng lượng thì sẽ bắt lửa và phát nổ, gây ra mối đe dọa nhất định cho người dùng.

Pin lithium ion đã được sản xuất với số lượng lớn trong nước và quốc tế, hiệu suất của chúng không ngừng được cải thiện. Lĩnh vực ứng dụng của bộ pin đang dần mở rộng. Nhưng tính an toàn của bộ pin luôn là mối quan tâm hàng đầu của quốc tế. Hiện nay, việc loại bỏ hoàn toàn các mối nguy hiểm về an toàn của bộ pin lithium-ion vẫn là một thách thức, đòi hỏi người dùng phải chú ý vận hành và sử dụng đúng cách để tránh tai nạn an toàn.

Phân tích tình trạng ứng dụng hiện tại của pin lithium-ion

Ngành công nghiệp ô tô phát triển nhanh chóng đã mang lại sự tiện lợi cho con người, trong khi khí thải của nó đã trở thành thủ phạm chính gây ô nhiễm không khí đô thị. Mặt khác, với tư cách là nguồn năng lượng không tái tạo, mức tiêu thụ dầu và khí đốt tự nhiên đang dần tăng lên và cuối cùng sẽ cạn kiệt trong tương lai gần. Bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường đã trở thành những vấn đề xã hội rất nổi bật.

Xe điện (EVS) và xe điện hybrid (HEVS) được phát triển để giảm mức tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm do xe chạy bằng nhiên liệu gây ra. Các loại pin năng lượng tiên tiến hiện đang được sử dụng trong xe điện chủ yếu bao gồm pin năng lượng niken hydro và pin năng lượng lithium-ion. Pin lithium-ion có năng lượng riêng cao, tuổi thọ dài và công suất riêng cao. Với việc giảm chi phí, chúng sẽ dần thay thế pin niken hydro hiện tại làm hệ thống lưu trữ năng lượng chính cho xe điện. Tính khả thi về mặt kinh tế của HEV và EV trong cạnh tranh thị trường là một khía cạnh quan trọng. Việc ước tính chính xác và theo thời gian thực trạng thái sạc pin (SOC) có tác động đáng kể đến tính khả thi về mặt kinh tế của xe hybrid.

Vật liệu điện cực dương của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm lithium mangan oxit, lithium sắt phosphate và niken coban lithium mangan oxit ba thành phần. So với hai vật liệu điện cực dương khác, vật liệu ba thành phần có điện áp nền tảng, dung lượng riêng và mật độ nén cao hơn, quyết định mật độ năng lượng của pin sử dụng vật liệu điện cực dương này. Nếu hiệu suất an toàn của pin lithium-ion ba thành phần có thể được cải thiện ở một mức độ nhất định, chúng sẽ có không gian ứng dụng tuyệt vời trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng điện.

2 Đối tượng thử nghiệm và Nền tảng thử nghiệm

Đối tượng thử nghiệm: pin lithium-ion 18650 hình trụ. Thu thập các đặc điểm cơ bản của nó. Các thông số cơ bản của pin một cell là: dung lượng danh nghĩa 20Ah, điện áp danh nghĩa 37V và khối lượng 41g.

Nền tảng thử nghiệm pin và mô-đun có thể mô phỏng điều kiện vận hành của xe, thu thập dữ liệu thử nghiệm trong quá trình sạc và xả mô-đun, đồng thời xác minh hiệu quả của thiết kế cấu trúc mô-đun và thiết kế BMS.

Nền tảng thử nghiệm được chia thành 5 phần: thiết bị sạc và xả pin, buồng nhiệt độ không đổi , thẻ thu thập dữ liệu pin, máy tính ghi và phân tích dữ liệu pin và điều khiển, và mô-đun pin cần thử nghiệm. Máy tính thu thập và ghi lại thông tin pin (điện áp, nhiệt độ, dòng điện) thông qua tương tác dữ liệu với thẻ thu thập dữ liệu. Phần mềm phân tích dữ liệu được nhúng trong mô hình pin sẽ phân tích trạng thái pin và các phương pháp sạc tương ứng, đồng thời điều khiển đầu ra của động cơ sạc và xả theo đó. Hộp nhiệt độ không đổi cung cấp các điều kiện trường nhiệt độ để thử nghiệm pin, và động cơ sạc và xả cung cấp nguồn điện và tải cho pin.

3 Thử nghiệm điện áp SOC và mạch hở

3.1 Thử nghiệm pin đơn

Điện áp mạch hở của pin (Điện áp mạch hở, OCV có thể được sử dụng để hiệu chuẩn trạng thái sạc của pin, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của ước tính SOC. Chín pin lithium-ion đơn cell 18650 hình trụ đã được chọn để thử nghiệm SOC và OCV. Quy trình thử nghiệm là: pin lithium-ion được sạc đầy và đặt cố định cho đến khi pin ổn định; xả ở dòng điện không đổi để đảm bảo SOC tương ứng với mỗi lần xả là 0,05 và khoảng thời gian giữa hai lần xả là 1 giờ để đảm bảo pin đạt đến trạng thái ổn định. Đồng thời Ghi lại điện áp mạch hở của bộ pin. Điều này dẫn đến điện áp mạch hở của 21 trạng thái SOC với SOC nằm trong khoảng từ 1, 0,95, 0,90, 0,85, 0,80,…, 0,10, 0,05 và 0.

Có thể thấy từ thí nghiệm rằng mối quan hệ giữa monome 18650 SOC và OCV gần như tuyến tính với tính nhất quán tốt. Do đó, điện áp mạch hở có thể được sử dụng để ước tính trạng thái sạc của pin. Đặc biệt là sau khi xe điện đã đỗ trong một khoảng thời gian, điện áp mạch hở có tác dụng tốt trong việc ước tính trạng thái sạc ban đầu của pin điện.

3.2 Thử nghiệm pack pin

18650 cell được chọn để tạo thành hai nhóm thông qua 5 chuỗi song song 10 để kiểm tra mối quan hệ giữa trạng thái sạc và điện áp mạch hở. Quá trình kiểm tra phù hợp với quá trình kiểm tra pin đơn. Do tính nhất quán tốt của các monome và sự lựa chọn kết hợp, bộ pin cũng có thể duy trì tính nhất quán tốt.

4 Dung lượng của Pin đơn

Do thực tế là xe điện yêu cầu pin điện cung cấp công suất riêng tương đối cao trong quá trình leo dốc, khởi động và tăng tốc, tức là xả đủ dòng điện để cung cấp đủ công suất. Bài viết này đã tiến hành thử nghiệm xả trên pin lithium-ion ở mức 0IC, 0,5C và 1C

Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng khi dòng điện xả của pin tăng, dung lượng xả của pin giảm. Điều này là do khi dòng điện xả tăng, độ phân cực nồng độ bên trong pin tăng, và độ sụt áp do điện trở bên trong vốn có của pin cũng tăng, dẫn đến dung lượng xả của pin giảm tương ứng.

5 Dung lượng pin

Do những thay đổi đáng kể trong điều kiện làm việc của ô tô, bài viết này đã tiến hành thử nghiệm xả trên pin lithium-ion ở nhiệt độ -30, -20, -10, 0, 10, 30, 45 và 55 ℃ ở 0,5 ℃. Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng khi nhiệt độ làm việc của pin tăng lên, khả năng xả tăng đáng kể. Điều này là do tốc độ khuếch tán chậm của các ion lithium trong pin ở nhiệt độ thấp, điều này làm tăng hoạt động của pin khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, khi thời gian cách điện tăng lên, nhiệt độ chung của pin tăng lên, khiến hoạt động của ion dần trở nên hỗn loạn, dẫn đến điện trở trong tăng lên và thay đổi khả năng xả giảm.

6 Kết luận

Bài viết này nghiên cứu mối quan hệ giữa trạng thái sạc và điện áp mạch hở, tốc độ xả và dung lượng, dung lượng và nhiệt độ của pin lithium ba thành phần. Định luật trạng thái sạc và điện áp mạch hở, định luật dung lượng monome dưới các tốc độ xả khác nhau và định luật dung lượng và nhiệt độ được thu được.

1) Độ đồng nhất của các cell pin lithium hình trụ 18650 được thử nghiệm là tốt, trạng thái sạc gần như tuyến tính với điện áp mạch hở. Điện áp mạch hở có thể được sử dụng để ước tính trạng thái sạc. Sử dụng điện áp mạch hở để ước tính trạng thái sạc trong thời gian tắt máy của pin điện và sử dụng các phương pháp ước tính khác trong quá trình sạc và xả có thể cải thiện độ chính xác của ước tính SOC.

2) Khi dòng điện xả tăng, độ phân cực nồng độ bên trong pin tăng, điện trở bên trong vốn có của pin lithium cũng tăng, điện áp giảm do đó, khi tốc độ xả tăng, dung lượng xả của pin giảm.

3) Ở nhiệt độ thấp, tốc độ khuếch tán của các ion lithium bên trong pin chậm hơn và khi nhiệt độ tăng, hoạt động của pin tăng và khả năng xả cũng tăng.

Các điều kiện bên ngoài khắc nghiệt như điện, máy móc và nhiệt là những yếu tố quan trọng gây ra các vấn đề về an toàn trong pin lithium-ion, trong khi các vấn đề về an toàn như đánh lửa và nổ trong pin lithium-ion thường là do sự mất kiểm soát nhiệt.

Ví dụ, sạc quá mức, ngắn mạch bên trong, v.v. có thể dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt và gây ra các vấn đề về an toàn. Khi vượt quá giới hạn an toàn trong pin, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin có thể dễ dàng xảy ra do các yếu tố như độ ổn định nhiệt kém của bộ tách và khả năng xảy ra phản ứng oxy hóa mạnh giữa chất điện phân và điện cực dương.

Vì vậy, tính an toàn của pin lithium-ion trong môi trường nhiệt là một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu về tính an toàn của pin lithium-ion. Bài viết này sẽ khám phá một phương pháp thử nghiệm mới để đánh giá tính an toàn của pin lithium-ion khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ cao.

1. Phương pháp thử nghiệm

Hiện nay, có ba loại tiêu chuẩn chính để đánh giá độ an toàn của pin lithium-ion: 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, v.v.). Trong số các tiêu chuẩn hiện có này, các phương pháp thử nghiệm được chỉ định ở nhiệt độ cao chủ yếu bao gồm thử nghiệm lạm dụng nhiệt, thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ, thử nghiệm đặt ở nhiệt độ cao, v.v.

(1) Thử nghiệm lạm dụng nhiệt

Phương pháp thử nghiệm lạm dụng nhiệt được chỉ định trong IEC62133:2002 là ổn định pin đã sạc đầy ở nhiệt độ phòng và đặt pin vào lồng ấp đối lưu không khí tự nhiên hoặc tuần hoàn. Lồng ấp làm nóng đến 130 ℃± 2 ℃ với tốc độ 5 ℃/phút ± 2 ℃/phút. Sau khi duy trì nhiệt độ này trong 10 phút, hãy dừng thử nghiệm và kiểm tra xem pin có bị cháy hoặc phát nổ không. Thử nghiệm lạm dụng nhiệt của IEC62133 đã được các tiêu chuẩn trong và ngoài nước như JISC8712, YD1268 và UL1642 áp dụng.

Thử nghiệm lạm dụng nhiệt thường được sử dụng để đánh giá độ an toàn của các cell pin khi đặt trong điều kiện nhiệt độ cao. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy và mẫu không được sạc hoặc xả

(2) Thử nghiệm chu kỳ nhiệt

Phương pháp thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ được chỉ định trong IEC62281:2004 là đặt cell pin hoặc cụm pin trong môi trường 75 ° C trong ít nhất 6 giờ, sau đó đặt trong môi trường 40 ° C trong ít nhất 6 giờ. Thời gian chuyển tiếp giữa các nhiệt độ khác nhau không quá 30 phút và tổng cộng thực hiện 10 chu kỳ nhiệt độ. Sau khi thử nghiệm, mẫu không được bắt lửa hoặc phát nổ và không bị mất chất lượng hoặc điện áp. Thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ của IEC62281 có nguồn gốc từ UN38.3 và phương pháp thử nghiệm cũng được các tiêu chuẩn trong và ngoài nước như EN62281 áp dụng.

Kiểm tra chu kỳ nhiệt độ thường được sử dụng để mô phỏng tính an toàn của các cell pin hoặc bộ pin khi có nhiều lần thay đổi nhiệt độ xen kẽ trong quá trình vận chuyển. Trong quá trình kiểm tra, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy và mẫu không được sạc hoặc xả trong quá trình kiểm tra

(3) Thử nghiệm giảm ứng suất ở nhiệt độ cao

Phương pháp thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao được chỉ định trong lEC62133 để giảm ứng suất nhiệt độ cao (khả năng chịu nhiệt độ cao của vỏ đúc) là đặt bộ pin trong môi trường có nhiệt độ 70 ℃± 2 ℃ trong 7 giờ. Sau khi thử nghiệm, vỏ bộ pin không được biến dạng vật lý làm lộ các thành phần bên trong. Thử nghiệm giảm ứng suất của IEC62133 đã được các tiêu chuẩn như EN62133 và JISC8712 áp dụng.

Thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao thường được sử dụng để đánh giá khả năng của vỏ pin duy trì tính toàn vẹn trong môi trường nhiệt độ cao. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu pin ở trạng thái được sạc đầy. Trong quá trình thử nghiệm, mẫu không được sạc hoặc xả. Kết hợp với các thử nghiệm liên quan đến nhiệt độ cao trong các tiêu chuẩn pin lithium ion trong và ngoài nước, thử nghiệm lạm dụng nhiệt nhằm mục đích đánh giá khả năng chịu nhiệt độ cao của cell pin.

Chu kỳ nhiệt độ là để mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình vận chuyển, Thử nghiệm giảm ứng suất nhiệt độ cao chỉ được sử dụng để đánh giá khả năng chịu nhiệt độ cao của vỏ đúc. Trong các thử nghiệm này, các mẫu ở trạng thái được sạc đầy và không được sạc hoặc xả trong quá trình thử nghiệm.

2. Thử nghiệm nhiệt độ cao

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng các thử nghiệm nhiệt độ cao hiện có trong tiêu chuẩn không tính đến các vấn đề an toàn ở nhiệt độ cao mà pin lithium-ion sử dụng trong ô tô phải đối mặt và pin lithium-ion không tính đến sự gia tăng nhiệt độ do sạc và xả trong quá trình thử nghiệm.

Xét đến thói quen sử dụng thực tế của người dùng (khi sạc và để trong xe), kết hợp với nhiệt độ cao và thời gian giữ trong xe, đồng thời tính đến sự gia tăng nhiệt độ do pin lithium-ion gây ra trong quá trình sạc và xả, một phương pháp thử nghiệm an toàn pin lithium-ion mới được đề xuất để đánh giá tính an toàn của pin lithium-ion được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao.

Phương pháp cụ thể như sau: Đặt mẫu pin đã sạc đầy vào hộp thử nghiệm nhiệt độ cao, với nhiệt độ được đặt thành T. Sau khi nhiệt độ bề mặt của mẫu ổn định trong 7 giờ, mẫu phải đáp ứng một trong các yêu cầu sau

• Cắt mạch điện mà không gây cháy, nổ hoặc rò rỉ
• Không cắt mạch, tiếp tục chu kỳ sạc xả theo phương pháp sạc và xả đã chỉ định trong quá trình thử nghiệm nhiệt độ cao, mẫu không được cháy, không nổ và không rò rỉ.

Trong đó, giá trị nhiệt độ T là giá trị lớn nhất do nhà sản xuất chỉ định cho nhiệt độ giới hạn trên khi sạc và xả của bộ pin, nhiệt độ giới hạn trên khi sạc và xả của pin và 80℃.

Trong quá trình thử nghiệm sử dụng nhiệt độ cao được đề cập ở trên, cần chú ý những điểm sau:

① Do cần có một khoảng thời gian nhất định để cân bằng nhiệt nên thời điểm bắt đầu cho thời gian thử nghiệm 7 giờ không phải là khi buồng thử nghiệm đạt đến nhiệt độ T mà là khi nhiệt độ bề mặt mẫu đạt đến T;

② Nếu chu kỳ sạc và xả của pin lithium-ion không hoàn thành trong vòng 7 giờ, thời gian thử nghiệm phải được kéo dài cho đến khi kết thúc chu kỳ này;

③ Do quá trình truyền nhiệt tăng tốc do luồng không khí trong buồng thử nghiệm, dẫn đến mất nhiệt bề mặt của pin trong quá trình sạc và xả, nên có thể cần phải thực hiện các biện pháp như giảm tốc độ gió để giảm thiểu tác động lên mẫu càng nhiều càng tốt;

④ Nếu mạch bảo vệ của mẫu bị ngắt trong quá trình sạc và xả (thay vì ngắt ngay sau khi nhiệt độ cân bằng), chỉ cần tiếp tục duy trì nhiệt độ cao cho đến khi kết thúc thử nghiệm (tổng cộng 7 giờ) và pin không gặp nguy hiểm.

An toàn lưu trữ và vận chuyển pin Li-ion

Tính an toàn của pin lithium-ion là không có rò rỉ, cháy, nổ và các hiện tượng khác trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau, đảm bảo rằng nghiên cứu khoa học, sản xuất và nhân viên sử dụng không bị thương ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt. Pin được sản xuất sẽ trải qua quá trình lưu trữ, vận chuyển và vận chuyển đến nhà ga. Cho dù sử dụng vận tải hàng không, vận tải biển, đường sắt hay đường bộ, đều có các tuyến liên kết hợp nhất hậu cần và vận chuyển container.

Lấy vận tải biển làm ví dụ, nếu một yếu tố bất ngờ kích hoạt quá trình cháy do nhiệt của pin trong cabin trong quá trình vận chuyển, theo kết quả nghiên cứu, nồng độ carbon monoxide (CO) giải phóng trong quá trình đốt cháy pin lithium đóng gói mềm 10Ah trong hệ thống oxit mangan lithium thương mại và hệ thống vật liệu ba thành phần vượt quá 12800ppm. CO ở nồng độ này có thể gây tử vong nhanh chóng ở người lớn trong vòng 1-3 phút.

Vì vậy, ngay cả khi không xét đến các chất độc hại và có hại khác được giải phóng trong quá trình mất kiểm soát nhiệt trong các hệ thống hỗn hợp phức tạp và năng lượng cao như pin lithium, thì riêng CO đã gây ra tác hại đáng kể. Đối với các không gian cục bộ khác, chẳng hạn như ô tô, tàu thủy, tàu ngầm, tàu vũ trụ và trong các bãi đỗ xe không gian, cũng có vấn đề tương tự về mất kiểm soát nhiệt điện lithium gây ra thảm họa. Đối với các không gian mở, chẳng hạn như các trạm lưu trữ năng lượng lithium-ion, bãi đỗ xe ngoài trời và trạm sạc, có những mối nguy hiểm tiềm ẩn gây ô nhiễm môi trường.

Do nhiều vụ tai nạn an toàn trong quá trình vận chuyển pin lithium, các tổ chức quốc tế như Liên hợp quốc, Hiệp hội Hàng không Quốc tế và các cơ quan trong nước có liên quan như Cục Hàng không Dân dụng Trung Quốc yêu cầu việc vận chuyển pin lithium phải trải qua các thử nghiệm UN38.3 và các thử nghiệm khác theo yêu cầu của IATADGR.

Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ đã phân loại pin lithium là vật liệu nguy hiểm, bao gồm khả năng bắt lửa, độc tính rò rỉ, ăn mòn, phản ứng và các chất độc hại và có hại khác. Đây là loại pin có nhiều chất độc hại nhất trong số tất cả các loại pin và không được vận chuyển một cách tùy tiện. Cần có hộp và phương pháp đóng gói đặc biệt, và tất cả các nhãn phải được hoàn thành trước khi vận chuyển. Ngoài ra, có nhiều hạn chế khác nhau đối với vận chuyển hàng không và pin lithium phải đạt chứng nhận UN38.3. Underwriters Laboratories (UL), một công ty thử nghiệm và chứng nhận an toàn của Hoa Kỳ, có kế hoạch giới thiệu một loạt các thông số kỹ thuật mới cho pin xe điện. UL Laboratories hy vọng sẽ thiết lập một bộ thông số kỹ thuật cho pin xe điện và chính phủ sẽ yêu cầu các nhà sản xuất pin công nhận chứng nhận của UL Laboratories.

Pin Lithium bị mất nhiệt

Trong toàn bộ vòng đời của pin lithium, ngay cả khi cấu trúc pin được thiết kế tốt và đáng tin cậy trong quá trình lưu trữ và vận chuyển, vẫn cần phải thiết lập cơ sở dữ liệu độc hại cho quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin để ứng phó với các tình huống khẩn cấp như hỏa hoạn, nổ và rò rỉ chất độc. Hướng dẫn kỹ thuật, tiêu chuẩn vận hành, biên soạn kỹ thuật, sổ tay hướng dẫn và các tài liệu khác liên quan đến pin lithium luôn trong quá trình sửa đổi cạnh tranh trên toàn cầu, kiểm soát nền kinh tế pin trên toàn thế giới.

Hiện tại vẫn chưa rõ liệu Hoa Kỳ, Nhật Bản và Hàn Quốc có cơ sở dữ liệu chi tiết về độc tính thứ cấp do hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium và các tiêu chuẩn quy định tương ứng hay không, nhưng Viện Bảo vệ Hóa chất đã dần cải thiện cơ sở dữ liệu về các sản phẩm đốt cháy mất kiểm soát nhiệt điện lithium. Ngoài CO và axit flohydric (HF) có sẵn công khai, còn có hơn 100 loài có trọng lượng phân tử trên 45 trong cơ sở dữ liệu, bao gồm các chất có đặc tính độc hại hoặc gây độc.

Trong thử nghiệm an toàn thường quy, thử nghiệm lạm dụng trong điều kiện máy móc mô phỏng ( rơi , va đập , đóng đinh, đè bẹp , rung, tăng tốc), nhiệt (đánh lửa, tắm cát, bếp điện, sốc nhiệt, tắm dầu, làm nóng bằng vi sóng), điện (sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch bên ngoài, xả cưỡng bức) và môi trường (giảm áp, ngâm, độ cao, kháng khuẩn) là bước quan trọng của thử nghiệm an toàn chung. Các bước và phương pháp này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để thử nghiệm độc tính thứ cấp của quá trình đốt cháy mất kiểm soát do nhiệt trong pin lithium.

Kết quả nghiên cứu về quá trình cháy mất kiểm soát do đánh lửa của pin lithium cho thấy các chất độc hại được giải phóng trong quá trình cháy mất kiểm soát do đánh lửa của pin lithium phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống vật liệu pin, dung lượng pin và trạng thái sạc; Về độc tính, trạng thái sạc 100% là trạng thái nguy hiểm nhất và trạng thái sạc càng nhỏ thì càng an toàn. Mức độ nghiêm trọng của các thử nghiệm cháy mất kiểm soát do đánh lửa trên pin được chế tạo từ các hệ vật liệu khác nhau thay đổi đáng kể, với hệ thống oxit mangan lithium (LMB)>hệ thống tam phân (NMC)>hệ thống oxit lithium coban (LCB)>hệ thống phosphate lithium sắt (LPB), cho thấy pin LPB thể hiện độ an toàn cao trước tình trạng cháy mất kiểm soát do đánh lửa.

Đối với pin lithium có bốn hệ vật liệu, số lượng các loài có thể xác định được trong các sản phẩm cháy có liên quan chặt chẽ đến trạng thái sạc của pin lithium và tuân theo thứ tự sau: số lượng các loài trong các sản phẩm cháy mất kiểm soát nhiệt tăng theo trạng thái sạc tăng từ 0% đến 100%, nhưng giảm khi trạng thái sạc tăng đến 150% (trạng thái quá tải). Tại sao số lượng các loài sản phẩm cháy lại giảm đối với cả bốn loại pin khi sạc quá mức? Lý do là khi pin bị sạc quá mức, các ion lithium trong muối lithium sẽ kết tủa kim loại lithium và lắng đọng trên bề mặt catốt. Đồng thời, chất điện phân solvat hóa cũng sẽ dần bị khử, phân hủy và tiêu thụ. Khi quá tải đạt 150%, chỉ còn lại một số lượng tương đối nhỏ các loài trong pin để tham gia vào phản ứng đốt cháy tiếp theo, vì vậy số lượng các loài trong các sản phẩm cháy hữu cơ thực tế giảm. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng một số loài trong các sản phẩm cháy mất kiểm soát nhiệt là mới được tạo ra và có độc.

Các sản phẩm hữu cơ này được giải phóng trong quá trình đốt cháy mất kiểm soát nhiệt có tác động kích ứng mạnh đối với da, mắt và đường hô hấp của con người và gây hại cho môi trường. Nếu các chất độc hại này được giải phóng vào không gian kín nhỏ như ô tô hoặc máy bay, chúng sẽ gây hại nghiêm trọng cho con người trong thời gian ngắn. Các sản phẩm cháy của pin LCB có các loài độc hại nhất, trong khi pin LPB có ít nhất. Trạng thái sạc của pin ảnh hưởng mạnh đến độc tính của các sản phẩm cháy. Vì vậy, xét về góc độ độc tính, trạng thái sạc 100% là trạng thái nguy hiểm nhất. Nói một cách đơn giản, nếu pin mới sạc bị đánh lửa và mất kiểm soát, nó sẽ giải phóng nhiều chất độc hại và có hại hơn. Kết quả thử nghiệm trên cũng chỉ ra rằng khi pin trải qua quá trình đốt cháy mất kiểm soát nhiệt, các phản ứng dây chuyền khác nhau xảy ra trong các hệ thống khác nhau, điều này có liên quan chặt chẽ đến hóa học trạng thái sạc của hệ thống vật liệu pin.

Công trình nghiên cứu trên đã thu được dữ liệu về các sản phẩm độc hại do quá trình cháy do nhiệt của pin lithium gây ra, từ đó cung cấp hướng dẫn cần thiết cho việc thiết kế vật liệu mới cho pin lithium, cảnh báo sớm các vụ cháy và độc tố do quá trình cháy do nhiệt của pin lithium gây ra, đồng thời cải thiện tính an toàn của pin lithium.