Pin lithium ion được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xe điện do có điện áp cao, năng lượng riêng cao và hiệu suất sạc tốt.

1 Thử nghiệm

Lấy pin lithium-ion có dung lượng định mức là 70Ah cho xe điện làm ví dụ, một thử nghiệm dung lượng ở nhiệt độ phòng (20 ℃) ​​và một thử nghiệm dung lượng ở nhiệt độ thấp (-20 ℃) ​​đã được tiến hành để so sánh tác động của nhiệt độ đến dung lượng của pin lithium-ion. Pin lithium-ion có điện áp ngắt sạc là 36V và điện áp ngắt xả là 2,0V. Sau đó, các thử nghiệm dung lượng xả được tiến hành trong môi trường 20 ℃ và -20 ℃, và thử nghiệm kết thúc khi điện áp ngắt xả là 2,0V.

2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt độ thấp

Hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các loại chất điện phân, vật liệu điện cực dương và âm, v.v. Hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion cũng thay đổi tùy thuộc vào loại chất điện phân và vật liệu điện cực dương và âm. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, quá trình đông đặc của một số dung môi trong chất điện phân của pin dẫn đến khó khăn trong việc di chuyển ion và giảm độ dẫn điện; Điện trở truyền của các ion lithium trong vật liệu điện cực tăng lên; Sự khuếch tán và truyền điện tích lithium giữa giao diện điện cực và chất điện phân chậm hơn và khả năng thấm ướt của chất điện phân vào bộ tách và sự thâm nhập của các ion lithium vào bộ tách trở nên tệ hơn.

2.1 Ảnh hưởng của chất điện phân

Ảnh hưởng của chất điện phân là một thành phần quan trọng của pin lithium-ion. Sự truyền ion giữa các điện cực dương và âm bên trong pin thường được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp các dung môi hữu cơ không chứa nước hòa tan trong muối lithium. Các dung môi hữu cơ như etylen cacbonat (EC), propylen cacbonat (PC), dimethyl cacbonat (DMC), diethyl cacbonat (DEC) và methyl etyl cacbonat (EMC) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong chất điện phân pin lithium-ion. Tác động của chất điện phân đến hiệu suất nhiệt độ thấp chủ yếu được phản ánh trong tác động của chúng đến độ dẫn điện và các đặc tính của màng giao diện chất điện phân rắn (SEI).

1) Độ dẫn điện.

Độ dẫn điện là một thông số quan trọng để đo hiệu suất của chất điện phân, và độ dẫn điện cao hơn là điều kiện cần thiết để đạt được hiệu suất nhiệt độ thấp tốt của pin lithium-ion. Theo quan điểm của dung môi hữu cơ, các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dẫn điện là hằng số điện môi và độ nhớt của dung môi. Hằng số điện môi của dung môi càng lớn thì lực tĩnh điện giữa các ion lithium và anion càng yếu và muối lithium càng dễ phân hủy và tăng số lượng ion tự do.

Độ nhớt của dung môi chủ yếu ảnh hưởng đến tính di động của các ion tự do. Độ nhớt càng cao, tính di động càng nhỏ và độ dẫn điện càng thấp. Ngược lại, điều ngược lại mới đúng. Khi nhiệt độ giảm, hằng số điện môi của dung môi sẽ làm giảm lực tương tác giữa các ion lithium và anion, và độ khó phân hủy muối lithium sẽ tăng lên. Khi nhiệt độ giảm, độ nhớt của chất điện phân tăng lên và tốc độ di chuyển của các ion giảm. Những điều này sẽ làm giảm độ dẫn điện của pin và ảnh hưởng đến dung lượng của pin điện lithium-ion.

2) SÁU màng.

Thành phần của chất điện phân không chỉ quyết định độ dẫn ion của chất điện phân mà còn ảnh hưởng đến quá trình hình thành màng SEI (pha chất điện phân rắn). Hiệu suất của màng SEI có tác động đáng kể đến dung lượng không thể đảo ngược, hiệu suất nhiệt độ thấp, hiệu suất chu kỳ và hiệu suất an toàn của pin. Một màng SEI tuyệt vời phải có khả năng không hòa tan trong dung môi hữu cơ cho phép các ion lithium tự do nhúng hoặc tách khỏi điện cực, trong khi các phân tử dung môi không thể xâm nhập, do đó ngăn các phân tử dung môi làm hỏng điện cực và cải thiện tuổi thọ chu kỳ của nó.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng điện trở màng SEI lớn hơn nhiều so với điện trở chất điện phân và khi nhiệt độ giảm, điện trở màng SEI tăng lên, tương ứng với sự suy giảm nhanh chóng của hiệu suất pin. Có thể thêm một lượng phụ gia tạo màng thích hợp vào chất điện phân của pin lithium-ion để giảm điện trở màng SEI, cải thiện hiệu suất của màng SEI và do đó cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin.

2.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt của vật liệu điện cực

Trong điều kiện nhiệt độ thấp, điện áp xả của pin giảm cho thấy sự gia tăng độ phân cực của các lớp bên trong và bên ngoài của các hạt điện cực dương và âm, tức là sự gia tăng trở kháng truyền của các hạt rắn điện cực dương và âm của ion lithium, dẫn đến điện áp kết thúc xả đạt sớm trong quá trình xả và làm giảm dung lượng xả tương ứng.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng trong điều kiện nhiệt độ thấp, điện cực than chì được sạc đầy có thể giải phóng tương đối dễ dàng các ion lithium nhúng dưới -20 ℃. Tuy nhiên, ở cùng nhiệt độ, việc nhúng các ion lithium vào điện cực than chì đã xả hoàn toàn gặp phải những trở ngại nghiêm trọng. Bằng cách giảm kích thước hạt của vật liệu điện cực, hiệu suất nhiệt độ thấp của pin sẽ được cải thiện đáng kể.

2.3 Tối ưu hóa và cải tiến vật liệu điện phân và điện cực

Chúng tôi đã tiến hành phân tích và nghiên cứu chuyên sâu về công thức và quy trình của chất điện phân và vật liệu điện cực cho các sản phẩm không đủ tiêu chuẩn công suất nhiệt độ thấp 70Ah nêu trên. Chất điện phân sản phẩm được điều chỉnh từ dung môi điện phân ba thành phần gồm EC, DMC và DEC thành dung môi điện phân bốn thành phần gồm EC, PC, DMC và DEC.

Các loại muối lithium và phụ gia vẫn giữ nguyên, nhưng tỷ lệ đã được điều chỉnh để cải thiện quy trình sản xuất vật liệu điện cực. Chất điện phân đã trải qua hàng chục lần điều chỉnh tỷ lệ và thử nghiệm để làm cho các hạt vật liệu điện cực nhỏ hơn.

Pin cải tiến có điện áp khởi động xả là 3.293V và điện áp ngắt xả là 2.0V ở 20℃. Dung lượng xả 74.6Ah là 106.6% dung lượng định mức, đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn. Dung lượng xả ở 20℃ nằm trong khoảng từ 100% đến 110% dung lượng định mức; Trong điều kiện -20℃, điện áp khởi động xả là 3.189V và điện áp ngắt xả là 2.0V. Dung lượng xả là 56.1Ah, bằng 80.1% dung lượng định mức. Dung lượng xả ở -20℃ đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn không nhỏ hơn 70% dung lượng định mức (49.0Ah)

3 Kết luận

Trong điều kiện nhiệt độ thấp , hiệu suất xả của pin lithium-ion giảm. Điện áp xả giảm và dung lượng xả giảm đáng kể. Do đặc tính nhiệt độ thấp của các loại pin nói trên, chúng gây ra trở ngại đáng kể cho việc phổ biến và phát triển xe điện ở các khu vực có nhiệt độ thấp. Do đó, việc cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt độ thấp của pin có lợi cho sự phát triển của xe điện và cũng thúc đẩy quá trình ứng dụng pin lithium-ion trong quân sự, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.

Việc lưu trữ pin lithium-ion rất phổ biến trong thực tế và chúng có thể được lưu trữ trong một thời gian dài trong chu kỳ sản xuất và bán pin. Trong quá trình sử dụng thực tế, chúng cũng có thể được lưu trữ trong một thời gian dài. Trong quá trình lưu trữ pin lithium-ion, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao, hệ thống pin ở trạng thái không ổn định nhiệt động lực học khi sạc đầy và sẽ liên tục trải qua quá trình chuyển đổi sang trạng thái cân bằng. Khi những thay đổi tích lũy đến một mức độ nhất định, nó không chỉ gây ra những thay đổi về điện áp và điện trở bên trong của pin lithium-ion mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ và đặc tính an toàn. Do đó, việc nghiên cứu hiệu suất lưu trữ của pin lithium-ion trong một môi trường nhất định là đặc biệt quan trọng. Bài viết này nghiên cứu sự suy giảm hiệu suất của pin lithium-ion trong trạng thái sạc đầy và lưu trữ ở nhiệt độ khác nhau, bao gồm những thay đổi về điện áp, điện trở, tỷ lệ duy trì dung lượng, trở kháng và độ phóng đại sau khi lưu trữ.

1 Thử nghiệm

1) Đối tượng thử nghiệm

Pin hình trụ 18650

2) Kiểm tra sạc và xả

Trước khi lưu trữ pin, hãy kiểm tra hiệu suất sạc và xả. Sau khi để ở nhiệt độ 45 ℃ trong 24 giờ, hãy sử dụng máy kiểm tra để kiểm tra hiệu suất của pin ở nhiệt độ phòng. Đầu tiên, hãy sạc pin ở dòng điện không đổi từ 0,1C đến 4,1V, sau đó sạc ở điện áp không đổi 4,1V cho đến khi dòng điện giảm xuống 0,01C, để yên trong 10 phút, sau đó xả ở dòng điện không đổi từ 0,1C đến 2,7V. Sau hai chu kỳ, hãy sạc pin ở dòng điện không đổi từ 0,1C đến 4,1V, để pin có trạng thái sạc đầy.

3) Kiểm tra lưu trữ

Thí nghiệm lưu trữ pin sẽ lưu trữ pin lithium-ion ở trạng thái sạc đầy trong các buồng nhiệt độ không đổi lần lượt ở 25 ℃, 45 ℃, 55 ℃ và 65 ℃. Thí nghiệm lưu trữ sẽ được thực hiện sau một khoảng thời gian nhất định và phân tích hiệu suất điện hóa và thử nghiệm liên quan đến điện áp, điện trở trong, v.v. sẽ được tiến hành ở nhiệt độ phòng.

2 Kết quả thử nghiệm

1) Thay đổi dung lượng pin

Tỷ lệ duy trì dung lượng sau 241 ngày lưu trữ ở 25 ℃, 45 ℃ và 55 ℃ lần lượt là 91,47%, 80,19% và 73,21%, trong khi chỉ còn 70,34% sau 150 ngày lưu trữ ở 65 ℃. Có thể thấy rằng điện áp mạch hở của pin lithium-ion được lưu trữ ở 65 ℃ giảm nhanh hơn đáng kể so với pin được lưu trữ ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này là do pin trải qua quá trình chuyển đổi từ trạng thái không ổn định nhiệt động lực học sang trạng thái cân bằng trong quá trình lưu trữ, dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc của vật liệu điện cực dương và các phản ứng tự phóng điện như mất lithium hoạt động trong carbon graphite. Khi nhiệt độ lưu trữ tăng lên, các phản ứng xảy ra bên trong pin lithium-ion trở nên mạnh hơn.

Đồng thời, tốc độ phản ứng phân hủy của các thành phần trong chất điện phân tăng lên ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự lắng đọng nhanh chóng của tạp chất và các sản phẩm phản ứng phụ trên các tấm điện cực dương và âm. Điều này cũng dẫn đến điện áp pin giảm nhanh hơn ở nhiệt độ cao. Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ của pin lithium-ion trong quá trình lưu trữ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng hóa học bên trong pin, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất lưu trữ của pin. Nhiệt độ càng cao, sự suy giảm hiệu suất càng nghiêm trọng.

2) Thay đổi điện trở bên trong của pin

Điện trở trong của pin lithium-ion là điện trở mà pin lithium-ion gặp phải khi dòng điện của chúng đi qua các thành phần khác nhau bên trong pin trong quá trình hoạt động. Đây là tổng điện trở giữa các cực dương và cực âm, bao gồm điện trở của các chất hoạt động dương và âm, chất điện phân, màng ngăn và các thành phần bên ngoài của bộ thu dòng điện. Khi xả pin lithium-ion, nếu điện trở trong nhỏ, thì độ sụt áp tạo ra trong quá trình xả cũng sẽ nhỏ hơn, dẫn đến mất dung lượng ít hơn và giải phóng nhiều năng lượng hơn. Do đó, sự thay đổi điện trở trong của pin lithium-ion cũng là một yếu tố quan trọng cần chú ý trong quá trình lưu trữ.

Từ dữ liệu, có thể thấy rằng nhiệt độ lưu trữ có tác động đáng kể đến sự thay đổi điện trở bên trong của pin lithium-ion. Điện trở bên trong của pin lithium-ion sẽ tiếp tục tăng trong quá trình lưu trữ và nhiệt độ càng cao thì mức tăng càng đáng kể. Sau khi lưu trữ ở 25 ℃ trong 241 ngày, điện trở bên trong của pin lithium-ion chỉ tăng 4,2m Ω (17,95%). Ở 45 ℃, điện trở bên trong của pin tăng 8,6 m Ω (37,07%) sau 241 ngày. Khi nhiệt độ lưu trữ đạt 55 ℃ hoặc 65 ℃, điện trở bên trong của pin lithium-ion sẽ có sự thay đổi mạnh, tăng lần lượt 13,5 m (56,25%) và 16,9 mΩ (70,42%) sau 150 ngày lưu trữ, với mức tăng khoảng 3,7 và 4,6 lần so với lưu trữ ở 25 ℃ trong cùng thời gian.

3) Hiệu suất tốc độ pin

Dung lượng xả của pin lithium-ion ở độ phóng đại 0,2C, 1C và 2C trước khi lưu trữ lần lượt là 1742mAh, 1612mAh và 1357mAh. Sau 30 ngày lưu trữ ở 65 ℃, dung lượng xả lần lượt là 1594mAh, 1354mAh và 1065mAh. Có thể thấy rằng sau khi lưu trữ ở 65 ℃, dung lượng xả của pin ở mỗi tốc độ đều giảm đáng kể.

Khả năng xả ở tốc độ 2C trước khi lưu trữ là 77,90% tốc độ 0,2C, trong khi khả năng xả ở tốc độ 2C sau khi lưu trữ là 66,81% tốc độ 0,2C. Ngoài ra, có thể thấy rằng sau 30 ngày lưu trữ ở 65 ℃, mức xả của mỗi tốc độ pin đã giảm. Điều này là do sự gia tăng phân cực gây ra bởi các phản ứng bên trong pin trong quá trình lưu trữ, làm giảm tốc độ khuếch tán của các ion lithium trong vật liệu điện cực dương và âm và chất điện phân sau khi lưu trữ, dẫn đến hiệu suất tốc độ của pin kém sau khi lưu trữ.

3 Kết luận

1) Nhiệt độ của pin lithium-ion trong quá trình lưu trữ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng hóa học bên trong pin, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất lưu trữ của pin. Nhiệt độ càng cao, hiệu suất suy giảm càng nghiêm trọng. Sau khi lưu trữ ở 25 ℃, 45 ℃ và 55 ℃ trong 241 ngày, tỷ lệ duy trì dung lượng lần lượt là 91,47%, 80,19% và 73,21%, trong khi sau khi lưu trữ ở 65 ℃ trong 150 ngày, chỉ còn lại 70,34%. Điện trở bên trong tăng lên trong quá trình lưu trữ. Khi nhiệt độ đạt 55℃ hoặc 65℃, sau 150 ngày bảo quản, điện trở tăng lần lượt là 13,5mΩ(56,25%) và 16,9mΩ(70,42%), tăng khoảng 3,7 và 4,6 lần so với nhiệt độ bảo quản là 25℃ trong cùng thời gian.

2) Các phản ứng bên trong của pin trong quá trình lưu trữ sẽ gây ra sự phân cực, và những phản ứng này làm giảm tốc độ khuếch tán của các ion lithium trong vật liệu điện cực dương và âm và chất điện phân sau khi lưu trữ, dẫn đến hiệu suất tốc độ của pin sau khi lưu trữ kém. Khả năng xả ở độ phóng đại 2C trước khi lưu trữ là 77,90% của 0,2C và sau 30 ngày lưu trữ ở 65 ℃, khả năng xả ở độ phóng đại 2C là 66,81% của 0,2C.

Với sự phổ biến của xe điện năng lượng mới, các vấn đề an toàn của xe điện đang ngày càng được quan tâm. Trong số đó, đặc điểm an toàn của pin lithium là một trong những yếu tố chính đối với sự an toàn của xe điện. Bài viết này lấy pin lithium mềm ba thành phần làm đối tượng nghiên cứu và thông qua nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng, khám phá các đặc điểm an toàn của pin lithium trong các hình dạng đầu nghiền khác nhau, các vị trí nghiền khác nhau và các điều kiện trạng thái sạc ban đầu (SOC) khác nhau.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng hình dạng đầu ép càng sắc và hẹp thì thời gian tăng nhiệt độ đột ngột của pin lithium càng sớm, tổn thất nhiệt độ đột ngột càng lớn và điện trở bên trong tăng càng cao. Vị trí ép càng gần mép dưới của pin lithium thì khả năng tăng nhiệt độ gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt càng cao. Vị trí ép càng gần tai cực thì tổn thất dung lượng và giá trị điện trở bên trong càng lớn. Ngoài ra, SOC của pin lithium càng cao thì khả năng xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, sụt áp càng lớn, tổn thất dung lượng càng lớn và điện trở bên trong càng lớn.

Để hiểu sâu hơn về đặc tính an toàn của pin lithium trong các điều kiện khác nhau, bài viết này cũng thiết lập các mô hình mô phỏng nhiệt và ứng suất cho pin lithium dựa trên nền tảng phần mềm COMSOL và tiến hành mô phỏng nhiệt độ và thay đổi ứng suất của pin lithium trong các điều kiện nghiền khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy các mẫu nhiệt độ và biến dạng của pin lithium sau khi nghiền phù hợp tốt với các thí nghiệm nghiền thực tế.

1 Nguyên lý hoạt động

Khi pin lithium được xả, các electron chảy từ điện cực âm đến điện cực dương thông qua một mạch ngoài, trong khi các ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến điện cực dương. Trong quá trình này, các ion lithium được chuyển qua chất điện phân và đi qua bộ tách để đến điện cực dương. Quá trình này được gọi là phản ứng loại bỏ lithium.

Khi pin lithium được sạc, các electron chảy từ điện cực dương đến điện cực âm thông qua một mạch ngoài, trong khi các ion lithium di chuyển từ điện cực dương đến điện cực âm. Trong quá trình này, các ion lithium được chuyển qua chất điện phân và đi qua bộ tách để đến điện cực âm. Quá trình này được gọi là phản ứng xen kẽ lithium.

Sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium là hiện tượng quá nhiệt, đánh lửa và nổ do sự thay đổi nhanh chóng về tốc độ tăng nhiệt độ tự nhiên của pin do phản ứng dây chuyền giải phóng nhiệt của từng cell. Hiện tượng này có thể do chập mạch bên trong, sạc quá mức, ép, nhiệt độ cao và các lý do khác trong pin. Khi nhiệt độ của pin tăng đến một mức độ nhất định, tốc độ phản ứng hóa học bên trong pin tăng tốc, tạo ra một lượng lớn năng lượng nhiệt, dẫn đến nhiệt độ pin tăng nhanh và cuối cùng dẫn đến sự mất kiểm soát nhiệt của pin. Trong quá trình này, chất điện phân bên trong pin sẽ bị phân hủy, vật liệu điện cực dương và điện cực âm sẽ bị cháy và pin sẽ bắt lửa hoặc phát nổ.

Do đó, khi sử dụng pin lithium, cần chú ý đến vấn đề an toàn, tránh các thao tác bất lợi như sạc quá mức, xả quá mức, bóp, nhiệt độ cao để đảm bảo an toàn và ổn định của pin. Đồng thời, trong quá trình sử dụng, cần thường xuyên kiểm tra tình trạng của pin, phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề để tránh tai nạn an toàn.

2 Pin Lithium bị đè bẹp

Các đối tượng nghiên cứu hiện có chủ yếu bao gồm pin lithium sắt phosphate vỏ vuông và pin lithium hình trụ 18650. Có hai phương pháp nghiên cứu chính: nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng thẳng. Trong nghiên cứu thực nghiệm, có ba phương pháp tải cơ học chính cho pin lithium hình trụ: phương pháp uốn ba điểm, phương pháp nghiền xuyên tâm trục và phương pháp nghiền cục bộ; Các phương pháp tải cơ học chính cho pin lithium hình vuông là phương pháp nghiền cục bộ và phương pháp nghiền tấm phẳng. Các hình dạng chính của đầu nghiền là phẳng, hình cầu, hình bán cầu và hình nón.

3 Buồng thử nghiệm

Buồng thử nghiệm nghiền pin lithium

Có khả năng cung cấp trạng thái nghiền trong các điều kiện khác nhau trong khi ghi lại những thay đổi về đặc điểm an toàn của pin. Thiết bị này thường bao gồm một thiết bị nén, hệ thống thu thập dữ liệu, thiết bị bảo vệ an toàn và các thành phần khác. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một nền tảng thử nghiệm ép để ép pin lithium với các hình dạng, lực và vị trí khác nhau để phân tích những thay đổi về đặc điểm an toàn của pin lithium trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống thu thập dữ liệu sẽ thu thập các thông số đặc điểm an toàn theo thời gian thực như nhiệt độ, điện áp, điện trở trong và dung lượng của pin lithium để giúp các nhà nghiên cứu hiểu được những thay đổi trong pin lithium trong quá trình nghiền. Thiết bị bảo vệ an toàn được sử dụng để bảo vệ sự an toàn của nhân viên và thiết bị trong quá trình thử nghiệm.

Hệ thống thu thập thông số

Hệ thống thu thập bao gồm hệ thống thu thập nhiệt độ, hệ thống thu thập điện áp, hệ thống thu thập điện trở và hệ thống thu thập dung lượng pin. Trong số đó, hệ thống thu thập nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện loại K và mô-đun thu thập dữ liệu nhiệt độ 8 kênh để truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB. Hệ thống thu thập điện áp sử dụng máy biến áp để chuyển đổi tín hiệu và truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB; Hệ thống thu thập điện trở sử dụng phương pháp chia điện áp điện trở để chuyển đổi tín hiệu và truyền dữ liệu đến máy tính phía trên thông qua RS485 đến USB; Hệ thống thu thập dung lượng pin sử dụng máy kiểm tra dung lượng pin kali để thử nghiệm và truyền kết quả thử nghiệm đến máy tính phía trên. Toàn bộ hệ thống thu thập đạt được việc thu thập và truyền dữ liệu thông qua mô-đun thu thập dữ liệu và cuối cùng hiển thị và phân tích dữ liệu trên máy tính phía trên.

4 Kết luận

Kết quả thử nghiệm nghiền SOC ban đầu khác nhau:

(1) Ảnh hưởng của SOC ban đầu khác nhau đến ngoại hình của pin lithium là không đáng kể.

(2) Các thông số đặc tính an toàn của pin lithium có SOC ban đầu khác nhau sẽ khác nhau sau khi bị nghiền nát.

(3) Pin lithium SOC 100% có độ dày dày hơn ở điểm ép.

Kết quả thực nghiệm nghiền với các hình dạng đầu nghiền khác nhau:

(1) Đầu nghiền góc vuông tạo ra diện tích nghiền lớn hơn cho pin lithium và vị trí nghiền tương đối hẹp.

(2) Đầu nghiền hình trụ tạo ra diện tích nghiền nhỏ hơn cho pin lithium và vị trí nghiền tương đối tù.

(3) Trong cùng điều kiện SOC ban đầu và vị trí nghiền, các đặc tính an toàn của pin lithium có hai hình dạng đầu nghiền khác nhau như sau:

Ảnh hưởng của các con số là khác nhau.

1. Nguyên nhân có thể gây ra sự mất kiểm soát nhiệt

Pin lưu trữ năng lượng thường bị mất kiểm soát nhiệt khi sử dụng quá mức và các tình trạng sử dụng sai phổ biến được chia thành ba loại: sử dụng sai cơ học, sử dụng sai điện và sử dụng sai nhiệt.

Hiện tượng mất kiểm soát nhiệt độ phổ biến nhất do lạm dụng điện. Trong điều kiện làm việc lạm dụng, pin lithium-ion không chỉ giải phóng nhiệt phản ứng, nhiệt ômi và nhiệt phân cực mà còn bao gồm nhiệt giải phóng do ngắn mạch bên trong và nhiệt giải phóng do phản ứng. Nhiệt giải phóng do ngắn mạch bên trong và phản ứng phụ (bao gồm phân hủy màng SEI, phản ứng điện phân điện cực dương và âm, hòa tan màng, phân hủy điện phân) lớn hơn nhiều so với nhiệt sinh ra trong điều kiện hoạt động bình thường, có thể dẫn đến nhiệt độ pin tăng nhanh và dễ dẫn đến tình trạng nóng không kiểm soát

(1) Lạm dụng cơ học

Đặc điểm chính của sự lạm dụng cơ học là sự dịch chuyển tương đối của các ô pin và mô-đun dưới tác động của các lực bên ngoài. Các dạng chính của ô pin (monome) bao gồm va chạm, nén và đâm thủng. Ở cấp độ mô-đun (bộ pin), các vấn đề rung động cũng cần được xem xét.

Trong lạm dụng cơ học, nguy hiểm nhất là đâm thủng, khi dây dẫn được đưa vào thân pin, gây ra hiện tượng đoản mạch trực tiếp giữa cực dương và cực âm. So với va chạm, bóp và các tình huống khác mà hiện tượng đoản mạch bên trong chỉ xảy ra khi có xác suất, thì quá trình sinh nhiệt trong quá trình đâm thủng mạnh hơn, dẫn đến khả năng nóng lên ngoài tầm kiểm soát cao hơn

(2) Lạm dụng điện

Lạm dụng điện thường bao gồm một số hình thức như sạc quá mức, xả quá mức hoặc đoản mạch bên ngoài, và sạc quá mức là hình thức có nhiều khả năng phát triển thành hiện tượng mất kiểm soát nhiệt. Do hàm lượng năng lượng cao của pin, sạc quá mức là hình thức lạm dụng điện có hại nhất và việc tạo ra nhiệt và khí là hai đặc điểm chung trong quá trình sạc quá mức. Nhiệt lượng xuất phát từ nhiệt Ohmic và các phản ứng phụ.

Đầu tiên, do chèn lithium quá mức, các dendrite lithium phát triển trên bề mặt anode và tỷ lệ thành phần hóa học của catốt so với anode quyết định thời điểm các dendrite lithium bắt đầu phát triển. Thứ hai, sự tách rời quá mức của lithium dẫn đến sự sụp đổ của cấu trúc điện cực dương do nhiệt và giải phóng oxy, làm tăng tốc độ phân hủy chất điện phân và tạo ra một lượng lớn khí. Do lực bên trong tăng lên, van an toàn mở ra và pin mở ra. Sau khi hoạt chất trong cell pin tiếp xúc với không khí, nó phản ứng dữ dội và giải phóng một lượng lớn

(3) Lạm dụng nhiệt

Lạm dụng nhiệt hiếm khi tồn tại độc lập và thường phát triển từ lạm dụng cơ học và điện, và cuối cùng là một phần của tiếp xúc với nhiệt độ tăng cao. Năng lượng cục bộ là tình huống lạm dụng nhiệt điển hình xảy ra trong các bộ pin. Ngoài tình trạng quá nhiệt do lạm dụng cơ học và điện, người ta đã xác nhận rằng tình trạng quá nhiệt cũng có thể do các điểm tiếp xúc kết nối lỏng lẻo

2. Quá trình thoát nhiệt

Quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion nói chung có thể được tóm tắt như sau: ① Phân hủy SEI; ② Điện cực âm nhúng lithium phản ứng với chất điện phân; ③ Màng nóng chảy; ④ Điện cực dương trải qua phản ứng phân hủy; ⑤ Chất điện phân tự trải qua phản ứng phân hủy; ⑥ Chất điện phân bay hơi và đốt cháy.

1) Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình sạc bình thường, nhiệt độ bề mặt của pin tương đối thấp (26-30 ° C). Các ion lithium thường tách ra khỏi điện cực dương và chèn vào điện cực âm, dẫn đến điện áp pin tăng chậm. Khi điện áp pin khoảng 3,6V, điện cực âm của pin có xu hướng bão hòa

2) Trong giai đoạn thứ hai của quá tải nhẹ, nhiệt độ bề mặt của pin tăng đáng kể (39-46 ° C). Điện cực dương bị mất lithium nghiêm trọng và ion lithium có xu hướng bão hòa do được nhúng vào điện cực âm. Các ion lithium sẽ kết tủa trên bề mặt của điện cực âm và có xu hướng lắng đọng ở vùng cạnh của điện cực âm gần điện cực dương hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các dendrite lithium kết tủa trên bề mặt của điện cực âm sẽ phản ứng với chất kết dính hữu cơ của điện cực âm.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các dendrite lithium kết tủa trên bề mặt điện cực âm sẽ phản ứng với chất kết dính hữu cơ của điện cực âm để tạo ra kết tủa kim loại lithium hydro và loại bỏ lithium mạnh khỏi điện cực dương, dẫn đến điện áp pin liên tục tăng.

3) Giai đoạn thứ ba, dendrite lithium trải qua phản ứng phụ với chất điện phân để sinh nhiệt, dẫn đến nhiệt độ bên trong pin tăng lên. Khi nhiệt độ vượt quá 90 ℃, nó sẽ kích hoạt sự phân hủy của màng SE và sinh ra khí

4) Giai đoạn thứ tư, khi nhiệt độ bên trong pin lithium-ion đạt khoảng 130℃, bộ tách nóng chảy, gây ra một vùng ngắn mạch lớn trong pin và sinh ra nhiệt. Nhiệt độ cao do tích tụ nhiệt tạo thành phản hồi tích cực đối với phản ứng bên trong, sinh ra khí và pin bắt đầu trải qua các phản ứng tự tăng tốc không kiểm soát được, khiến nhiệt độ của pin tăng lên.

Trong phạm vi 200~300℃, bản thân chất điện phân sẽ trải qua phản ứng phân hủy, tạo ra khí và cuối cùng dẫn đến cháy nổ. Tác hại do sự mất kiểm soát nhiệt của một pin đơn lẻ gây ra nói chung là hạn chế, nhưng trong kịch bản ứng dụng của nhà máy điện lưu trữ năng lượng, số lượng pin đơn lẻ lớn và được sắp xếp chặt chẽ. Khi một pin đơn lẻ bị mất kiểm soát nhiệt, nhiệt sinh ra có thể truyền sang các pin xung quanh, khiến sự mất kiểm soát nhiệt lan rộng và tác hại gây ra sẽ được mở rộng.

3. Phát hiện các thông số đặc trưng

1) Điện trở bên trong của pin giảm khi nhiệt độ tăng trong phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường. Tuy nhiên, khi pin bị mất kiểm soát nhiệt và gây ra sự gia tăng nhiệt độ bất thường, điện trở bên trong của pin tăng đáng kể. Tuy nhiên, sự thay đổi đột ngột về điện trở bên trong của pin cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, chẳng hạn như nhiễu loạn bên ngoài hoặc tiếp xúc kém do một số lý do, điều này cũng có thể dẫn đến điện trở bên trong của pin tăng đột ngột. Do đó, chỉ dựa vào sự thay đổi về điện trở để xác định xem pin có bị mất kiểm soát nhiệt hay không là không chính xác và cần phải kết hợp với các thông số đặc trưng khác để xác định.

2) Nhiệt độ là một thông số quan trọng của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium-ion, vì có mối quan hệ hỗ trợ lẫn nhau giữa nhiệt độ và các phản ứng phụ khi pin bị mất kiểm soát nhiệt, tạo thành phản hồi tích cực. Nhiều thiết bị cảnh báo pin và hệ thống quản lý pin được trang bị các thiết bị cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ pin. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt trước, tín hiệu báo động sẽ được phát ra hoặc các hành động tương ứng sẽ được thực hiện.

Một chiến lược cảnh báo ba cấp độ đã được đề xuất cho pin lithium-ion 18650 và bộ pin: khi nhiệt độ pin vượt quá 50 ℃, dung lượng sẽ giảm và nhiệt độ sẽ tăng chậm trong phạm vi 50-80 ℃, trong đó 70-80 ℃ là chậm nhất. Do đó, nhiệt độ cảnh báo ba cấp độ được đặt lần lượt là 50 ℃, 70 ℃ và 80 ℃. Tuy nhiên, phương pháp giám sát nhiệt độ bề mặt này có hiện tượng trễ, vì nhiệt sinh ra bên trong mất một khoảng thời gian nhất định để truyền đến bề mặt và cũng có sự tản nhiệt trong quá trình truyền (trao đổi nhiệt giữa pin và môi trường).

3) Khi pin đang trong giai đoạn đầu của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, các khí đặc trưng này sẽ dần dần tăng nồng độ từ đầu, cho thấy sự thay đổi đáng kể về đặc tính. Do đó, sử dụng các cảm biến khí tương ứng để cảnh báo sớm hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin cũng là một cách quan trọng.

Với sự phổ biến của xe điện và thị phần liên tục mở rộng, vấn đề an toàn cũng trở thành một trong những trọng tâm chú ý của người tiêu dùng. Đặc biệt là sự cố xe điện tự bốc cháy thường xuyên đã thu hút sự chú ý và thảo luận rộng rãi trong xã hội. Sự việc này xảy ra không chỉ gây lo ngại cho người tiêu dùng mà còn thu hút sự chú ý của các nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp pin.

Nhìn chung, hiện tượng tự bốc cháy của xe điện không phải là sự cố ngẫu nhiên mà do nhiều yếu tố gây ra. Thứ nhất, có những khiếm khuyết trong quá trình sản xuất pin, chẳng hạn như cấu trúc bên trong không hợp lý và quy trình sản xuất không đạt tiêu chuẩn. Những khiếm khuyết này có thể gây ra hiện tượng ngắn mạch bên trong các cell pin, dẫn đến tai nạn tự bốc cháy. Thứ hai, các yếu tố bên ngoài cũng là một lý do quan trọng dẫn đến hiện tượng tự bốc cháy của xe điện. Trong quá trình sử dụng pin, chúng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như bị bóp méo, thủng, v.v. Những yếu tố này có thể gây ra hiện tượng ngắn mạch trong pin lithium-ion, dẫn đến nhiệt bên trong tích tụ nhanh chóng và kích hoạt hiện tượng tự bốc cháy.

Ngoài các yếu tố trên, một yếu tố quan trọng khác đối với quá trình tự đánh lửa của xe điện là nhiệt độ. Nhiệt độ cao hay thấp đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của pin. Khi pin hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao, có thể khiến vật liệu bên trong pin bị phân hủy, tạo ra lượng nhiệt và khí lớn, dẫn đến tự bốc cháy. Ngoài ra, pin cũng tạo ra lượng nhiệt lớn trong quá trình sạc và xả, nhiệt độ quá cao có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa và hư hỏng pin.

Phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng mất nhiệt

Là một phương tiện giao thông mới nổi, xe điện có những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, nhưng vấn đề an toàn của chúng luôn là trọng tâm chú ý. Trong những năm gần đây, tình trạng cháy xe điện và tự bốc cháy xảy ra thường xuyên đã gây ra sự lo lắng và quan ngại cho người tiêu dùng và các nhà sản xuất ô tô. Nguyên nhân gốc rễ của những vụ tai nạn này là sự mất kiểm soát nhiệt của pin.

Sự thoát nhiệt của pin là phản ứng hóa học không thể đảo ngược bên trong pin, khiến nhiệt giải phóng quá nhanh và không thể giải phóng kịp thời, do đó gây ra các tai nạn an toàn như quá nhiệt, cháy hoặc nổ. Nguyên nhân gây ra sự thoát nhiệt rất phức tạp, chủ yếu bao gồm các động lực cơ học và điện và các động lực điện hóa.

Các yếu tố cơ học và điện, bao gồm các lực bên ngoài như va chạm, ép và đâm thủng, có thể gây ra những thay đổi trong cấu trúc bên trong của pin, dẫn đến các vấn đề như ngắn mạch bên trong và rò rỉ chất điện phân. Các động lực điện hóa bao gồm các yếu tố như sạc quá mức, xả quá mức, sạc nhanh, sạc ở nhiệt độ thấp và ngắn mạch bên trong tự gây ra của pin. Khi có sự mất kiểm soát điện hóa trong pin, năng lượng hóa học trong pin sẽ được giải phóng nhanh chóng và nhiệt sẽ tăng đột biến, dẫn đến nhiệt độ bên trong pin tăng đột ngột, cuối cùng sẽ dẫn đến cháy hoặc nổ pin.

Giải pháp hiệu quả cho sự thoát nhiệt

Sự mất kiểm soát nhiệt bao gồm ba quá trình: gây ra, xảy ra và lan truyền. Có hai nguyên nhân chính, một là sự phát triển của lithium do sạc quá mức, pin nhanh lão hóa và sạc ở nhiệt độ thấp, và nguyên nhân còn lại là do chập mạch bên trong do nhiều lý do khác nhau. Hiện nay, xét theo tiến độ kiểm soát sự mất kiểm soát nhiệt, cách tốt nhất mà các chuyên gia đưa ra là “làm tốt từ gốc”, tăng cường và coi trọng việc lựa chọn cell pin và kiểm soát chất lượng. Mặc dù công nghệ pin tiếp tục phát triển, nhưng sự không ổn định về chất lượng pin và sự non kém của công nghệ vẫn là một trong những lý do chính khiến tai nạn tự bốc cháy của xe điện thường xuyên xảy ra. Vấn đề về chất lượng pin không chỉ làm giảm tuổi thọ của pin mà còn làm tăng nguy cơ mất kiểm soát nhiệt của pin, dẫn đến tai nạn an toàn. Đặc biệt là trong số nhiều nhà sản xuất pin mới, có sự pha trộn giữa cá và rồng, với sự khác biệt đáng kể về công nghệ, làm trầm trọng thêm các vấn đề về chất lượng pin.

Để nâng cao chất lượng pin, cần tăng cường sản xuất và kiểm soát chất lượng pin. Trong quá trình sản xuất pin, cần kiểm soát chặt chẽ các thông số quy trình khác nhau để đảm bảo tính hợp lý và hiệu quả của vật liệu, cấu trúc và chế tạo pin. Đồng thời, cũng cần tiến hành kiểm tra chất lượng pin và thử nghiệm an toàn, tiến hành kiểm tra và đánh giá toàn diện các chỉ số khác nhau của pin, kịp thời phát hiện và giải quyết các mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn. Một loại vật liệu và công nghệ pin mới đã xuất hiện, chẳng hạn như chất điện phân gốc silicon, chất điện phân rắn và các chất điện phân mới khác có độ ổn định nhiệt cao hơn, khó gây ra hiện tượng mất nhiệt của pin hơn. Đồng thời, một số hệ thống quản lý pin và thiết bị giám sát tiên tiến cũng đã xuất hiện để theo dõi nhiệt độ, điện áp và các thông số khác của pin theo thời gian thực và cảnh báo tình trạng an toàn của pin kịp thời, để có biện pháp ngăn ngừa hiện tượng mất nhiệt của pin.

Tóm lại, vấn đề an toàn của xe điện là vấn đề lâu dài và phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần bắt đầu từ nhiều khía cạnh, bao gồm thiết kế, sản xuất và sử dụng pin, để cải thiện hiệu suất an toàn của pin. Đồng thời, cũng cần tăng cường giám sát và quản lý xe điện, thiết lập các tiêu chuẩn và hệ thống điện hoàn chỉnh, bảo vệ sự an toàn và quyền lợi của người tiêu dùng. Với sự phát triển liên tục của công nghệ và sự cải thiện liên tục về hiệu suất an toàn của xe điện, nó sẽ trở thành một trong những khía cạnh quan trọng của phát triển bền vững trong tương lai.

Kiểm soát rủi ro cháy nổ của pin điện

Về lý thuyết, bất kỳ thiết bị điện áp cao nào đi kèm đều có nguy cơ rò rỉ và điện giật, trong khi bất kỳ loại pin hóa học nào cũng có nguy cơ hư hỏng hoặc đánh lửa sau khi ngắn mạch. Việc tăng cường bảo vệ an toàn hợp lý có thể loại bỏ khả năng rò rỉ hoặc cháy pin. Hiện tại, các doanh nghiệp xe nhiên liệu thay thế chính thống đã đưa ra các phương pháp hiệu quả để bảo vệ mọi khía cạnh của quá trình sản xuất, lắp đặt và sử dụng pin.

Nguyên nhân gốc rễ của nguy cơ cháy pin điện là do quá trình thoát nhiệt của pin là phản ứng tỏa nhiệt chuỗi. Giải pháp là giảm giải phóng nhiệt và cắt đứt “phản ứng tỏa nhiệt chuỗi”. Do đó, chiến lược ứng phó là giảm giải phóng nhiệt của phản ứng hóa học bên trong, tăng nhiệt độ của phản ứng hóa học, giảm tốc độ tăng nhiệt độ của pin, tăng cường tản nhiệt bên ngoài của pin và các biện pháp khác. Bằng cách thay đổi đường dẫn giải phóng nhiệt chuỗi, pin có thể an toàn hơn.

Ngoài ra, việc cải thiện khả năng kiểm soát nhiệt độ của pin cũng rất quan trọng. Pin sẽ giải phóng nhiệt trong quá trình hoạt động. Nếu nhiệt không được giải phóng kịp thời, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên, dẫn đến tình trạng mất kiểm soát nhiệt của pin. Do đó, việc cải thiện khả năng kiểm soát nhiệt độ của pin không chỉ có thể ngăn ngừa pin mất kiểm soát nhiệt mà còn kéo dài tuổi thọ của pin.

Bản tóm tắt

Để đảm bảo an toàn cho xe năng lượng mới, các sở, ngành liên quan cần thực hiện một loạt biện pháp. Thứ nhất, tăng cường giám sát chất lượng ắc quy xe điện để đảm bảo chất lượng ắc quy đáp ứng tiêu chuẩn, yêu cầu. Thứ hai, thiết lập cơ chế giám sát và cảnh báo an toàn xe điện toàn diện để kịp thời phát hiện và giải quyết các nguy cơ tiềm ẩn về an toàn, nâng cao an toàn cho xe. Ngoài ra, cũng cần hoàn thiện các luật, quy định có liên quan, làm rõ trách nhiệm của các mặt như sản xuất, kinh doanh, sử dụng xe điện, bảo vệ quyền và lợi ích hợp pháp của người tiêu dùng. Ngoài ra, ngành xe năng lượng mới cũng cần tập trung đổi mới công nghệ, tăng cường nghiên cứu và phát triển các công nghệ then chốt như hệ thống quản lý ắc quy và vật liệu ắc quy, nâng cao hiệu suất an toàn của xe năng lượng mới.

Tóm lại, xe năng lượng mới là xu hướng phát triển trong tương lai và là thành phần quan trọng của bảo vệ môi trường. Mặc dù có rủi ro, nhưng thông qua nhiều phương tiện khác nhau, phụ nữ có thể liên tục đóng góp nhiều hơn cho sự nghiệp bảo vệ môi trường.