Pin lithium ion đã trở thành một trong những nguồn năng lượng chính cho các sản phẩm điện tử cầm tay như thiết bị liên lạc di động và máy tính xách tay do năng lượng riêng và điện áp cao của chúng. Tuy nhiên, trong các điều kiện sử dụng sai như làm nóng, sạc quá mức, xả quá mức, đoản mạch, rung, nén, v.v., pin lithium-ion có thể gặp phải các sự cố như cháy, nổ và thậm chí là thương tích cá nhân, dẫn đến việc thu hồi một số lượng lớn pin lithium-ion.

Do đó, làm thế nào để cải thiện hiệu suất an toàn của pin lithium-ion đã trở thành một vấn đề then chốt trong quá trình phát triển của chúng. Hiện nay, nhiều quốc gia hoặc tổ chức thử nghiệm đã phát triển các phương pháp thử nghiệm an toàn có liên quan cho pin lithium-ion. Pin lithium-ion phải vượt qua các bài kiểm tra an toàn để giảm thiểu rủi ro khi sử dụng. Các tiêu chuẩn quốc tế liên quan đến an toàn của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm IEC 62133, IEC 62281, UL 1642, UL 2054, UN 38.3, v.v.

Trong các tiêu chuẩn trên, thử nghiệm va chạm vật nặng là một dự án mô phỏng ngắn mạch bên trong của pin lithium-ion. Bài viết này đã tiến hành thử nghiệm va chạm vật nặng trên các mẫu pin lithium-ion khác nhau theo yêu cầu của tiêu chuẩn. Kết quả thử nghiệm được so sánh và phân tích bằng cách tháo rời pin sau khi thử nghiệm.

1 Thử nghiệm

1.1 Thiết bị và môi trường thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm là buồng thử nghiệm va đập chống nổ DGBELL . Nhiệt độ môi trường trong quá trình thử nghiệm luôn được duy trì ở mức (20 ± 5) ℃.

1.2 Mẫu thử nghiệm

Các mẫu pin lithium-ion được sử dụng trong thí nghiệm này như sau: Pin lithium-ion hình trụ 18650; Pin vỏ nhôm hình vuông; Pin lithium-ion polymer hình vuông

1.3 Phương pháp thử nghiệm

Đặt các pin lithium-ion có hình dạng khác nhau trên một bề mặt phẳng, đặt một thanh sắt có đường kính 15,8 mm theo chiều ngang ở giữa pin và thả một cái búa nặng 9,1 kg rơi từ độ cao (610 ± 15) m xuống pin. Đối với pin vuông, chúng cũng phải được xoay 90 ° theo trục dài để chịu được các tác động mạnh trên cả bề mặt rộng và hẹp. Nhiệt độ trên bề mặt pin trong quá trình thí nghiệm được theo dõi bằng một cặp nhiệt điện gắn vào bề mặt pin.

2 Kết quả

2.1 Pin lithium-ion 18650

Sau khi bị vật nặng đập vào, bề mặt ắc quy để lại vết lõm sâu, chủ yếu là do thanh sắt đặt trên bề mặt ắc quy bị búa nặng đập vào gây nén. Bề mặt cực dương của ắc quy xuất hiện rỉ sét, chủ yếu là do van xả áp suất bên trong mở ra trong quá trình thử nghiệm va đập, khiến một số chất điện phân chảy ra ngoài. Chất điện phân tạo ra chất ăn mòn khi gặp không khí, dẫn đến ăn mòn nắp cực dương.

Sau khi tháo rời vỏ pin, các vết nứt xuất hiện trên bề mặt của các ô pin. Điều này chủ yếu là do sự kéo dài và biến dạng của các điện cực do thanh sắt ép vào pin. Ô pin bị mở ra và cả điện cực và màng mở đều bị vỡ tại vị trí thanh sắt bị ép. Vật liệu phủ điện cực dương và âm đã bị bong ra.

2.2 Pin vuông

(1) Pin vỏ nhôm

Đối với pin lithium-ion hình vuông, thường có hai dạng đóng gói: vỏ nhôm và nhôm-nhựa.

Pin cũng cho thấy vết lõm do thanh sắt nén và trở nên rất mỏng ở giữa. Sau khi tháo rời vỏ nhôm, có thể thấy rằng các ô pin bên trong đã bị chia thành hai nửa. Khi mở ô pin ra, có thể thấy lớp phủ của vật liệu pin đã bị bong ra và các điện cực bị nhăn. Điều này là do tác động của thanh sắt vào bên trong pin, tạo ra lực ép theo hướng phẳng. Ngoài ra, độ cứng cao của vỏ nhôm cản trở sự mở rộng của ô pin theo hướng ngang, dẫn đến các điện cực bị nhăn.

Sau khi thử nghiệm bề mặt hẹp của pin vuông, hướng bề mặt hẹp của pin đã bị ép và biến dạng hoàn toàn. Sau khi tháo rời vỏ pin, người ta phát hiện ra rằng các ô pin bên trong bị nứt nghiêm trọng. Khi mở điện cực ra, người ta phát hiện ra rằng vật liệu hoạt động đã rơi ra và màng ngăn đã bị vỡ.

(2) Pin lithium ion polymer

Đối với pin lithium-ion polymer đóng gói trong nhôm-nhựa. Kết quả thử nghiệm pin tương tự như pin đóng gói vỏ nhôm. Tuy nhiên, do lớp vỏ nhôm-nhựa được hàn nhiệt, các cell pin bên trong bị tác động bởi lực bên ngoài sau khi thử nghiệm pin. Thứ hai, do độ dày mỏng của pin đóng gói nhôm-nhựa, nó bị chia thành hai phần dưới tác động bên ngoài.

2.3 Thảo luận về kết quả thử nghiệm

Từ kết quả thử nghiệm trên, có thể thấy rằng thử nghiệm va chạm vật nặng có thể mô phỏng hiện tượng đoản mạch bên trong của pin lithium-ion. Trong thử nghiệm va chạm vật nặng, pin chịu tác động của lực bên ngoài, gây biến dạng vỏ pin. Và nó gây biến dạng cell pin, gây căng thẳng cho các điện cực và bộ tách. Dưới tác động của ứng suất này, vật liệu điện cực sẽ bị tách ra và màng ngăn sẽ bị vỡ do quá mỏng, dẫn đến dẫn điện trực tiếp giữa vật liệu điện cực dương và âm hoặc tiếp xúc giữa bộ thu đồng (nhôm) và vật liệu điện cực dương (âm) (tức là đoản mạch bên trong), dẫn đến dòng điện phóng điện cục bộ lớn và nhiệt Ohmic.

Do các mạch ngắn bên trong xảy ra ở nhiều vị trí, nhiệt sinh ra gây ra các phản ứng phụ khác, chẳng hạn như phân hủy điện cực và phân hủy chất điện phân. Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ pin tăng đáng kể. Đối với mẫu pin lithium-ion 18650, một mạch ngắn bên trong tạo ra một lượng khí đáng kể, gây ra sự gia tăng áp suất bên trong. Sau khi đạt đến một giá trị nhất định, van xả áp suất pin sẽ mở ra để giải phóng khí axit, cuối cùng tránh được các tai nạn an toàn. Đối với pin lithium-ion vuông, độ dày của chúng tương đối nhỏ. Trong trường hợp va chạm bên ngoài, pin có thể bị vỡ hoặc tách làm đôi. Khi xảy ra mạch ngắn bên trong, các thành phần bên trong của pin tiếp xúc trực tiếp với không khí và phản ứng.

3 Kết luận

Thông qua các thử nghiệm va chạm vật nặng trên các loại pin lithium-ion riêng lẻ khác nhau, có thể thấy rằng phương pháp thử nghiệm này có thể mô phỏng hiệu quả tình trạng đoản mạch bên trong pin. Phân tích tháo rời các loại pin khác nhau phát hiện thấy có sự cố đứt điện cực và vỡ màng ngăn bên trong pin, dẫn đến đoản mạch bên trong pin. Phân tích và hiểu biết về hiện tượng thử nghiệm này sẽ hữu ích hơn cho các nhà sản xuất pin để hiểu các tiêu chuẩn thử nghiệm của pin, do đó cải thiện chất lượng sản phẩm của pin lithium-ion và tăng cường tính an toàn của chúng.

Trong quá trình lái xe điện, pin điện trên xe liên tục sạc và xả, kèm theo lượng nhiệt tỏa ra lớn. Nhiệt độ của pin điện có tác động đáng kể đến tốc độ phản ứng điện hóa, khả năng tiếp nhận sạc, độ an toàn, tuổi thọ chu kỳ, công suất riêng và năng lượng riêng.

Đồng thời, do điều kiện tản nhiệt bên ngoài, phương pháp quản lý nhiệt và vị trí bố trí không gian riêng lẻ của pin khác nhau nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa các bộ phận khác nhau của monome trong bộ pin và giữa các monome khác nhau có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính nhất quán của hiệu suất bộ pin.

Do đó, cần phải thực hiện các biện pháp truyền nhiệt tăng cường bên trong bộ pin để cải thiện tính đồng đều nhiệt độ của bề mặt monome và tổng thể. Tấm graphite có độ dẫn nhiệt cao với GTS có độ dẫn nhiệt cao, với mật độ thấp, hệ số giãn nở nhiệt thấp và bề mặt tương đối mềm, có thể làm giảm hiệu quả điện trở nhiệt tiếp xúc, khiến nó trở thành loại vật liệu carbon có độ dẫn nhiệt cao mới lý tưởng

Bài viết này lấy pin lithium-ion hình vuông được sử dụng trong xe điện làm đối tượng nghiên cứu. Một bộ pin điều khiển có và không có GTS đã được chế tạo và một băng ghế thử nghiệm hiệu ứng nhiệt đã được xây dựng cho bộ pin. Bằng cách phân tích những thay đổi về chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt của các cell pin và các vị trí khác nhau của bộ pin trong quá trình xả dòng điện không đổi, tác động của GTS đối với việc cải thiện tính đồng đều nhiệt của bộ pin lithium-ion đã được nghiên cứu

1 Kiểm tra

1.1 thông số pin

Kích thước: 180 mm x 100 mm x 32 mm

Trọng lượng: 1250 g

Điện áp: 3.2 V

Dung lượng: 40 Ah

Điện trở trong : ≤2Ω

1.2 Thiết kế cấu trúc của bộ pin

Để kiểm chứng tác động của GTS lên tính đồng đều nhiệt của các monome pin lithium-ion và cụm pin, hai loại cụm pin có và không có GTS đã được sản xuất. Cụm pin A bao gồm sáu pin lithium sắt phosphate được kết nối nối tiếp, với các cảm biến nhiệt độ gắn trên bề mặt của các monome và vật liệu cách điện PET ở ngoại vi. Cụm pin B đóng vai trò là nhóm thử nghiệm đối chứng cho cụm pin A. GTS được phân bổ đồng đều trên mỗi mặt của mỗi cell pin, tổng cộng có 7 cell. Kích thước của mỗi GTS là 180 mm x 0,27 mm x 100 mm. Để giảm tác động của luồng không khí phía trên lồng ấp lên sự phân bố nhiệt độ bên trong cụm pin, một nắp đậy pin đã được lắp phía trên cụm pin để bịt kín trong quá trình thử nghiệm.

1.3 Thiết bị thử nghiệm

Một băng ghế thử nghiệm được xây dựng để kiểm tra hiệu suất nhiệt của bộ pin trong quá trình sạc và xả. Trong số đó, tải điện tử là pin. Buồng nhiệt độ không đổi là buồng thử nghiệm độ ẩm nhiệt độ cao và thấp DGBELL , với biên độ nhiệt độ là 0,3 ℃ {-40~100 ℃). Thiết bị thu thập nhiệt độ cặp nhiệt điện: Cảm biến nhiệt độ là cặp nhiệt điện loại K, với độ chính xác là ± 0,5 ℃.

1.4 Quy trình thử nghiệm

Xây dựng một băng ghế thử nghiệm và viết một chương trình điều khiển xả dòng điện không đổi của pin. Trước khi thử nghiệm, tổng điện áp của sáu pin là 19,62 V và nhiệt độ của lồng ấp được đặt ở mức 18 ℃. Khi nhiệt độ của điểm đo nhiệt điện trở tiếp cận 18 ℃ và ổn định, quá trình xả dòng điện không đổi 1 C (I = – 40 A) đã được bắt đầu. Trong thời gian này, tần số lấy mẫu của bộ thu tín hiệu nhiệt điện trở là 4 giây. Sau khi điện áp cắt của

Quá trình xả dòng điện không đổi 15,6 V, 1 C đã kết thúc và dữ liệu đã được lưu.

2 Kết quả thử nghiệm và phân tích

2.1 Độ đồng đều nhiệt của bề mặt cell pin

Trong quá trình hoạt động của pin lithium-ion, tai cực và tâm của pin là các điểm nhiệt độ đại diện. Do đó, hai điểm đo đối xứng gần tai dương và tai âm được chọn để nghiên cứu sự chênh lệch nhiệt độ theo hướng ngang của cell pin. Chọn hai điểm đo trên đường tâm thẳng đứng của bề mặt cell pin, nằm ở tâm của pin và gần đỉnh của pin, để nghiên cứu sự chênh lệch nhiệt độ theo hướng thẳng đứng

Khi xả ở tốc độ 1 C, phân tích mối quan hệ giữa giá trị tuyệt đối của chênh lệch nhiệt độ theo hướng ngang của bề mặt cell đơn của pin và thời gian xả, có thể thấy rằng nhiệt độ ở phía bên trái và bên phải theo hướng ngang của bề mặt cell đơn của bộ pin A là không đồng đều, với chênh lệch nhiệt độ khoảng 0,18 ℃. Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ theo hướng ngang của bề mặt cell đơn của bộ pin B chỉ khoảng 0,05 ℃, ít hơn 70% so với bộ pin A, cho thấy GTS có thể đóng vai trò trong việc phân phối nhiệt tác động theo chiều ngang.

Khi xả ở tốc độ 1 C, phân tích biểu đồ phân tán của chênh lệch nhiệt độ tuyệt đối theo phương thẳng đứng trên bề mặt của cell pin, có thể thấy rằng sự thay đổi nhiệt độ theo phương thẳng đứng của bề mặt đơn của cụm pin A nghiêm trọng hơn và chênh lệch nhiệt độ tối đa đạt 0,45 ℃. Chênh lệch nhiệt độ theo phương thẳng đứng của bề mặt đơn của cụm pin B tiếp tục duy trì ở mức khoảng 0,05 ℃. Sau 2700 giây, chênh lệch nhiệt độ bắt đầu tăng lên theo sự tích tụ nhiệt, với giá trị tối đa là 0,26 ℃, nhưng chỉ bằng 58% so với cụm pin A. Điều này chỉ ra rằng GTS cũng có thể đóng vai trò trong sự phân phối nhiệt trung bình theo phương thẳng đứng.

Qua so sánh, có thể thấy rằng trong quá trình xả tốc độ 1 C, chênh lệch nhiệt độ theo phương ngang trên bề mặt cell pin nhỏ hơn chênh lệch nhiệt độ theo phương thẳng đứng và sự dao động của chênh lệch nhiệt độ theo phương thẳng đứng nghiêm trọng hơn, điều này liên quan đến cấu trúc và kích thước vật lý của pin. Sau khi bố trí GTS trên bề mặt cell pin, chênh lệch nhiệt độ theo phương ngang và phương thẳng đứng trên bề mặt cell pin là tương tự nhau và duy trì trong phạm vi nhỏ, cho thấy GTS có thể cải thiện hiệu quả tính đồng nhất nhiệt của bề mặt cell.

2.2 Độ đồng đều nhiệt bên trong của bộ pin

Bốn bộ giá trị chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn, cho thấy khi pin không hoạt động, GTS có thể cải thiện tính đồng nhất của nhiệt độ của bộ pin, có lợi cho việc kéo dài tuổi thọ lưu trữ của pin. Khi xả sâu hơn, nhiệt bên trong bộ pin tích tụ dần và giá trị chênh lệch nhiệt độ thường tăng lên. Tuy nhiên, so với bộ pin A, xu hướng chênh lệch nhiệt độ của bộ pin B nhất quán hơn và giá trị chênh lệch nhiệt độ tối đa nhỏ hơn (0,41 ℃), trong khi bộ pin A là 0,47 ℃.

Chênh lệch nhiệt độ trung bình càng nhỏ thì tính đồng đều nhiệt độ bên trong khối pin càng tốt. Từ dữ liệu thực nghiệm, có thể thấy rằng trước 2600 giây, chênh lệch nhiệt độ trung bình trong khối pin B nhỏ hơn và mức tăng tương đối nhẹ nhàng, cho thấy GTS có thể cải thiện tính đồng đều nhiệt của toàn bộ khối pin.

Biểu đồ phân tán phương sai cho thấy giá trị phương sai càng lớn thì độ phân tán của các giá trị đo nhiệt độ của năm cặp nhiệt điện tại thời điểm đó càng lớn, điều này có nghĩa là độ đồng đều nhiệt độ của bộ pin càng kém. Giá trị phương sai của bộ pin B vẫn ở mức khoảng 0,18, với giá trị tối đa chỉ là 0,36. Phương sai tối đa của bộ pin A đạt 120, gấp 3,33 lần so với bộ pin B, cho thấy GTS có thể cải thiện hiệu quả độ đồng đều nhiệt độ bên trong bộ pin

3 Kết luận

Bằng cách so sánh và phân tích sự khác biệt nhiệt độ bề mặt của bộ pin có và không có GTS trong điều kiện xả dòng điện không đổi 1 C, tác động của các tấm graphite có độ dẫn nhiệt cao đối với việc cải thiện tính đồng đều nhiệt độ của pin vuông đã được nghiên cứu. Các kết luận sau đây đã được rút ra.

(1) Trong quá trình xả, chênh lệch nhiệt độ theo chiều ngang trên bề mặt của cell pin nhỏ hơn chênh lệch nhiệt độ theo chiều dọc, điều này có nghĩa là các tấm than chì có độ dẫn nhiệt cao có thể làm giảm hiệu quả chênh lệch này, cân bằng nhiệt giữa các bộ phận khác nhau của bề mặt cell pin và cải thiện tính đồng đều nhiệt của bề mặt cell pin.

(2) Là một biện pháp tăng cường truyền nhiệt, các tấm than chì có độ dẫn nhiệt cao có thể cải thiện hiệu quả tính đồng nhất nhiệt bên trong cụm pin và có thể được sử dụng làm biện pháp tăng cường truyền nhiệt phụ trợ cho các hệ thống quản lý nhiệt cụm pin ô tô như sử dụng vật liệu thay đổi pha cho tấm làm mát, nhằm cân bằng sự phân phối nhiệt của cụm pin và cải thiện hiệu suất của hệ thống quản lý nhiệt

Do những ưu điểm về trọng lượng nhẹ, điện áp cao, độ tương đương điện hóa cao và độ dẫn điện cao của kim loại lithium, pin sơ cấp lithium bao gồm lithium kim loại làm điện cực âm có những ưu điểm về năng lượng riêng cao, điện áp pin cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, hiệu suất nhiệt độ thấp tốt và tuổi thọ lưu trữ dài. Pin sơ cấp lithium cho hệ thống hóa chất đã được thương mại hóa.

Tuy nhiên, do hoạt động cao của lithium, tính an toàn của pin lithium sơ cấp đã trở thành một vấn đề đáng chú ý. Một số loại pin điện phân hữu cơ và pin lithium điện phân vô cơ không chứa nước có thể phát nổ trong điều kiện ngắn mạch hoặc các điều kiện lạm dụng khác. Do đó, việc phân tích lý do phát nổ của pin lithium sơ cấp có ý nghĩa hướng dẫn thực tế để cải thiện quy trình sản xuất pin và tăng cường tính an toàn của chúng.

Thử nghiệm va chạm vật nặng đối với pin lithium chính được quy định trong nhiều tiêu chuẩn thử nghiệm pin (như IEC 62281, UL 1642, UN 38.3). Thí nghiệm này mô phỏng việc lạm dụng một vật có trọng lượng nhất định rơi vào pin, tạo ra lực tác động mạnh tại một bộ phận nhất định của pin. Khi pin chịu tác động đột ngột, pin có thể bị đoản mạch bên trong hoặc các phản ứng tỏa nhiệt khác, thậm chí bắt lửa hoặc phát nổ.

Tiêu chuẩn quốc tế về pin lithium, IEC 62281, nêu rõ mục đích của thử nghiệm va đập mạnh đối với pin lithium chính là mô phỏng các mạch ngắn bên trong pin. Trong bài viết này, sáu loại pin cúc áo khác nhau được sử dụng làm mẫu để thử nghiệm va đập mạnh nhằm phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng đánh lửa và nổ trong pin trong quá trình thử nghiệm va đập mạnh.

1 Thí nghiệm

1.1 Dụng cụ và vật liệu

Buồng chống va đập DGBELL . Đối tượng thử nghiệm là 5 pin nút áo thông thường, 5 mẫu pin chỉ chứa vật liệu điện cực dương là mangan dioxit điện phân và chất điện phân, 5 pin chỉ chứa vật liệu điện cực âm là lithium và chất điện phân, 5 pin chỉ chứa chất điện phân, 5 pin chỉ chứa vật liệu điện cực dương và 5 pin chỉ chứa vật liệu điện cực âm, tổng cộng có 6 loại mẫu.

1.2 Phương pháp thực nghiệm

Tiến hành thử nghiệm va chạm vật nặng theo các điều kiện quy định trong tiêu chuẩn “IEC 62281 Yêu cầu an toàn đối với pin lithium chính và pin trong vận chuyển”. Các điều kiện cụ thể như sau: pin mẫu hoặc bộ pin được đặt trên một bề mặt phẳng. Một thanh có đường kính 15,8 mm được đặt nằm ngang ở tâm của mẫu. Một búa nặng 91 kg rơi từ độ cao 61 ± 2,5 cm xuống mẫu.

Trục dọc của pin hình trụ hoặc hình lăng trụ bị tác động phải song song với bề mặt phẳng và vuông góc với trục dọc của bề mặt cong có đường kính 15,8 mm được đặt nằm ngang ở tâm của mẫu. Pin hình lăng trụ cũng phải được xoay 90 ° quanh trục dọc của nó để chịu được tác động ở cả hai mặt rộng và hẹp của nó. Mỗi mẫu chỉ chịu một tác động. Khi pin hình đồng xu hoặc hình nút bị tác động, mặt phẳng của mẫu phải song song với bề mặt phẳng và một bề mặt cong có đường kính 15,8 mm phải được đặt nằm ngang ở tâm của nó. Nhiệt độ thử nghiệm: (20 ± 5) ℃.

2 Kết quả

2.1 Kết quả thử nghiệm

Sáu mẫu pin cho thấy kết quả thử nghiệm khác nhau trong các thử nghiệm va chạm với vật nặng. Trong quá trình thử nghiệm va chạm với vật nặng, camera giám sát phát hiện ra rằng một số mẫu pin tạo ra “tia lửa” sáng ngay lập tức, khiến pin bị vỡ làm đôi.

Đặc điểm của quá trình tạo tia lửa điện là:

(1) Tia lửa tương đối sáng;

(2) Đôi khi kèm theo tiếng nổ nhỏ;

(3) Về cơ bản, nó xảy ra đồng thời với tác động của một vật nặng;

(4) Chỉ có pin bình thường mới phát ra tia lửa trong quá trình thử nghiệm;

(5) Thời gian tương đối ngắn, thường dừng lại ngay sau khi pin bị hỏng.

Pin lithium sơ cấp chỉ chứa vật liệu điện cực âm và chất điện phân, cũng như pin lithium sơ cấp chỉ chứa vật liệu điện cực âm, tạo ra “tia lửa” trong quá trình va chạm ở một số pin. Tuy nhiên, các mẫu pin lithium sơ cấp thông thường tạo ra “tia lửa” trong quá trình va chạm và nhiệt độ tăng tương đối lớn.

2.2 Lý do

Dựa trên nguyên lý hoạt động của pin lithium-mangan dioxide và kết quả thực nghiệm, người ta suy đoán rằng lý do tạo ra “tia lửa” trong quá trình va chạm là:

(1) quá trình cháy của liti ở nhiệt độ cao được biểu hiện là “tia lửa” phát sinh trong một số hoặc tất cả các loại mẫu pin chứa liti kim loại trong quá trình thử nghiệm va chạm. Li có phản ứng hóa học cao và có thể tự bốc cháy trong không khí khi được đun nóng đến trạng thái nóng chảy. Bụi của nó cũng có thể cháy ở nhiệt độ phòng.

Búa nặng rơi từ trên cao xuống và đập vào bề mặt mẫu pin, ngay lập tức sinh ra một lượng nhiệt lớn, khiến tấm lithium tiếp xúc với không khí do pin bị nứt phản ứng với oxy trong không khí và tạo ra tia lửa. Trong quá trình sản xuất pin, tấm lithium tiếp xúc với không khí sẽ không phản ứng với một lượng nhỏ hơi ẩm trong không khí. Do đó, trong thí nghiệm này, Li phản ứng với nước để giải phóng hydro và nhiệt, khả năng cháy rất thấp.

(2) Hiện tượng đoản mạch bên trong giữa điện cực dương và điện cực âm biểu hiện là pin lithium sơ cấp thông thường tạo ra “tia lửa điện” trong quá trình va chạm. Sau khi va chạm, hiện tượng đoản mạch bên trong của pin xảy ra do màng ngăn bị nén và vỡ. Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong, một lượng lớn dòng điện chạy qua pin, khiến pin sinh ra một lượng nhiệt Joule đáng kể. Sự sinh nhiệt này khiến hiện tượng gia nhiệt cục bộ xuất hiện bên trong pin, dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt bên trong pin và cuối cùng gây ra cháy nổ. Có thể thấy rằng cả hai lý do trên đều có thể gây ra “tia lửa điện” trong quá trình va chạm của pin lithium sơ cấp thành phẩm, điều này giải thích tại sao xác suất xảy ra “tia lửa điện” trong thử nghiệm va chạm của pin lithium sơ cấp thành phẩm lại cao hơn.

3 Kết luận

Nguyên nhân gây ra hiện tượng đánh lửa và nổ của pin lithium chính trong quá trình thử nghiệm va chạm vật nặng có thể không chỉ do chập mạch bên trong pin mà còn do quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao của lithium bên trong.

2 Thí nghiệm về mối nguy hiểm thực sự đối với môi trường của máy bay

2.1 Thí nghiệm cháy túi bay điện tử trong buồng lái

Trong thí nghiệm rủi ro về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion trong buồng lái, một tỷ lệ thay thế không khí cao đã được thiết lập và một túi bay điện tử (EFB) được làm nóng bằng một máy sưởi. Pin lithium-ion EFB có dung lượng lưu trữ 7,2Ah (SOC là 100%) đã ngay lập tức kích hoạt hệ thống chữa cháy để kiểm soát đám cháy khi ngọn lửa trần xảy ra. Kết quả cho thấy mức CO, CO2 và O2 trong cabin thay đổi đôi chút, nhưng nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 600 ℃. Độ mờ của khói là 10% và kéo dài trong 5 phút. Một xung áp suất lớn có thể đẩy mở cửa cabin không khóa. Ngay cả ở tỷ lệ thay thế không khí cao (một lần mỗi phút), sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion của một thiết bị EFB duy nhất sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự an toàn của chuyến bay và việc lái xe, gây ra mối nguy hiểm thảm khốc tiềm tàng.

2.2 Thí nghiệm cháy máy tính bảng điện tử trong cabin

Máy tính bảng là thiết bị làm việc và giải trí được các thành viên phi hành đoàn và hành khách mang theo, có nguy cơ tiềm ẩn đáng kể. Năm 2013, FAA đã đặt máy tính bảng lên xe đẩy nhà bếp và làm nóng nó bằng máy sưởi trong thí nghiệm cháy bảng điều khiển cabin. Ở giai đoạn đầu, ngọn lửa liên tục bùng lên từ các khe hở, sau đó cháy dữ dội, với áp suất tăng đột ngột và làm cửa đẩy mở nhanh. Mặc dù hệ thống thông gió đang hoạt động bình thường, cabin vẫn đầy khói dày. Khi khí trộn sẵn được đốt cháy, ngọn lửa thoát ra và một lượng khói lớn đủ để khiến hệ thống thông gió trong cabin không hiệu quả.

Trong một thí nghiệm cháy máy tính bảng cabin khác, máy tính bảng được đặt trong hộp lưu trữ nhà bếp 727. Kết quả thí nghiệm cho thấy một cú sốc áp suất lớn đã xảy ra trước khi quá trình chạy trốn nhiệt được thực hiện hoàn toàn và nhiệt độ tối đa bên ngoài hộp đạt 81 ℃. Nhưng nếu nhiều máy tính bảng bắt lửa, nó sẽ dẫn đến rủi ro cao hơn.

2.3 Thí nghiệm pin lithium quy mô lớn trong khoang hàng hóa

Tiến hành liên tục và cập nhật các thí nghiệm cháy pin lithium quy mô lớn trong môi trường thực tế từ ngoài trời đến các khoang hàng loại E và loại C, nghiên cứu các mối nguy hiểm và đặc điểm mất kiểm soát nhiệt của các vụ cháy pin lithium quy mô lớn. Một thí nghiệm pin lithium quy mô lớn đã được tiến hành trong khoang hàng. 5000 pin lithium-ion 18650 và 4800 pin lithium-metal SF123A đã được nhóm lại và đặt ở giữa khoang hàng loại C của máy bay chở hàng 737. Hệ thống thông gió đã được thiết lập và sau một thời gian, hệ thống chữa cháy bằng nước đã được kích hoạt để kiểm soát đám cháy một cách thích hợp. Một đồng hồ đo lưu lượng nhiệt được bố trí ở phía trước và ngay phía trên pin, và một cặp nhiệt điện (có chiều cao lần lượt là 15, 92 và 152cm) và máy dò khí được bố trí theo chiều dọc bên cạnh để ghi lại thành phần khí môi trường và những thay đổi nhiệt độ bên trong khoang hàng hóa và buồng lái.

Thí nghiệm phát hiện ra rằng sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-kim loại đẩy lithium kim loại và chất điện phân ra ngoài, gây ra sự cháy nghiêm trọng có thể xuyên qua tấm đáy bằng sắt. Nhiệt độ ở phía trên cabin có thể lên tới 1000 ℃, nguy hiểm hơn nhiều so với pin lithium-ion. Khi chỉ có một phần pin tham gia vào phản ứng và đám cháy được kiểm soát đúng cách, tỷ lệ thể tích oxy trong khoang hàng có thể đạt tối thiểu 3% và nhiệt độ trên cùng của cabin có thể lên tới 927 ℃. Đồng thời, khí được giải phóng và thấm vào buồng lái, khiến tỷ lệ thể tích khí độc và nhiệt độ tăng lên, ảnh hưởng đến việc lái xe bình thường của phi công. Nếu tất cả các pin tham gia vào phản ứng, nó sẽ gây ra thiệt hại thảm khốc

Nghiên cứu về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium trong điều kiện môi trường thay đổi

3.1 Nội dung thử nghiệm

Nghiên cứu về hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium chủ yếu dựa trên môi trường tĩnh trên mặt đất, thiếu nghiên cứu về môi trường động lực học của chuyến bay. Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm quan sát quy mô nhỏ, các thí nghiệm tương đồng quy mô lớn, phân tích lý thuyết và mô phỏng số, nghiên cứu này điều tra các yếu tố ảnh hưởng đến sự xuất hiện của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium trong điều kiện vận chuyển hàng không thông thường. Nghiên cứu cũng điều tra các đặc điểm của sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt, trường nhiệt độ và giải phóng khí trong môi trường thay đổi, cũng như kiểm soát nồng độ khí, nhiệt độ và ngăn chặn nổ của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium.

(1) Mô phỏng.

Tiến hành phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm nhiệt độ của pin lithium nhiệt độ chạy trốn, bao bì pin lithium và khả năng chữa cháy của các hệ thống chữa cháy trên máy bay. Sử dụng phần mềm mô phỏng để mô phỏng các thay đổi động về áp suất, môi trường oxy và trường dòng chảy trong các chuyến bay bình thường và khẩn cấp, thiết lập một mô hình sinh và tiêu tán nhiệt độ chạy trốn của pin lithium duy nhất và phân tích sự phân bố trường nhiệt độ, giải phóng năng lượng, quá trình cháy và nổ, cũng như khả năng chữa cháy cần thiết do chạy trốn nhiệt độ gây ra. Thiết lập mô hình truyền nhiệt chạy trốn nhiệt độ cho nhiều pin lithium-ion, phân tích hướng và điện trở nhiệt của quá trình truyền nhiệt giữa các pin

(2) Thí nghiệm quy mô nhỏ.

Sử dụng khoang áp suất thấp quy mô nhỏ đã được xây dựng, bằng cách kiểm soát áp suất và nhiệt độ bên trong khoang, một lượng nhỏ pin lithium được đặt trong một bộ dao động tần số nhất định để mô phỏng các điều kiện áp suất, nhiệt độ và rung động thay đổi của vận tải hàng không thông thường. Các yếu tố và điều kiện chính ảnh hưởng đến sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium, cũng như trường nhiệt độ và đặc điểm giải phóng khí của pin lithium, được nghiên cứu.

(3) Thí nghiệm xác nhận quy mô lớn.

Sử dụng thiết bị thực nghiệm, mô phỏng sự thay đổi áp suất của máy bay dân dụng trong quá trình nâng và hạ, tái tạo môi trường áp suất thấp, oxy thấp và áp suất động trong khoang hàng và đo các thông số như thành phần khói, mật độ, nhiệt độ, thông lượng bức xạ nhiệt và chiều cao nổ trong quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin lithium.

4 Tóm tắt

Khi SOC tăng, nhiệt độ tối đa, tốc độ giải phóng nhiệt tối đa, tổng khối lượng mất đi và tổng lượng khí cháy thoát ra trong quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin lithium tăng dần; Khi SOC ở mức khoảng 50%, rất có thể gây ra sự lan truyền mất kiểm soát nhiệt giữa các pin, gây ra rủi ro lớn nhất; Khi SOC thấp hơn 30%, khả năng lan truyền mất kiểm soát nhiệt sẽ dừng lại. Khi vận chuyển pin lithium-ion, việc kiểm soát mức pin thấp hơn 30% sẽ làm giảm mức độ nghiêm trọng của các sự cố hỏa hoạn; Nguy cơ và khó khăn trong việc dập tắt các đám cháy pin lithium-ion cao hơn nhiều so với các đám cháy hàng hóa thông thường.

Cho dù cháy pin lithium-ion xảy ra trong khoang hàng hóa, cabin hay buồng lái, chúng đều sẽ gây ra những tai nạn lớn hoặc thậm chí là thảm khốc. Do đó, hệ thống chữa cháy máy bay và hệ thống thông gió nên chú ý đến việc phòng ngừa và kiểm soát cháy pin lithium-ion. Nghiên cứu về đặc điểm cháy của pin lithium và các thí nghiệm rủi ro của vận tải hàng không chủ yếu dựa trên các điều kiện môi trường mặt đất tĩnh và thiếu các nghiên cứu thực nghiệm có liên quan về mô phỏng các điều kiện bay. Môi trường bay bình thường của máy bay khác với các điều kiện tĩnh trên mặt đất và những thay đổi về áp suất, nhiệt độ và tần số rung động trong điều kiện vận tải hàng không bình thường đều có tác động đáng kể đến cháy pin lithium. Nghiên cứu thực nghiệm có liên quan cần được xác minh và bổ sung thêm.

Dựa trên thí nghiệm về đặc tính cháy do nhiệt của pin lithium, các đặc tính cháy do nhiệt của các ion lithium 18650 với lượng điện tích là 20%, 30%, 50%, 70% và 100% đã được tóm tắt, bao gồm sự lan truyền cháy do nhiệt, tốc độ giải phóng nhiệt, nhiệt độ, mất khối lượng và khí giải phóng. Phân tích các đặc tính rủi ro của cháy do nhiệt của pin lithium trong buồng lái, cabin và khoang hàng, cũng như khả năng của hệ thống chữa cháy và thông gió bên trong và các cơ sở khác để chống lại các đám cháy pin lithium. Giới thiệu thí nghiệm cháy do nhiệt trong môi trường thay đổi chuyến bay mô phỏng, cung cấp tài liệu tham khảo để phát triển các thí nghiệm liên quan đến pin lithium quy mô lớn.

Pin bị mất kiểm soát nhiệt do quá trình gia nhiệt, đoản mạch hoặc va chạm lực bên ngoài, không chỉ giải phóng một lượng lớn khí và nhiệt một cách dữ dội mà còn dễ dàng lan truyền từ pin này sang pin khác. Mặc dù hiện tượng mất kiểm soát nhiệt khác nhau tùy thuộc vào loại pin, nhưng có thể tóm tắt thành bốn giai đoạn: đầu tiên, khí luân phiên được đẩy ra từ các lỗ nhỏ (lớp vỏ bên ngoài bị đốt cháy để tạo thành các lỗ nhỏ), sau đó các chất bên trong thoát ra khỏi các lỗ nhỏ hiện có ở đầu dương, sau đó các chất bên trong bị đẩy ra và cuối cùng là tất cả các chất bên trong bị đẩy ra. Khi đứng thẳng, dễ xảy ra nổ theo hướng nằm ngang và khí và chất điện phân được giải phóng theo hướng thẳng đứng. Các chất bị đẩy ra chủ yếu là đồng, than chì và nhôm.

1 Ảnh hưởng của lượng điện tích đến đặc tính thoát nhiệt

Về nghiên cứu ảnh hưởng của Trạng thái sạc (SOC) đến đặc tính thoát nhiệt của pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nhiệt độ tự bốc cháy của pin niken coban 18650 là khoảng 10 ℃. Độ ổn định nhiệt của pin lithium-ion giảm khi SOC tăng và hiệu ứng dây chuyền domino của sự lan truyền thoát nhiệt đã được xác minh.

Khi SOC của pin tăng, nhiệt độ bắt đầu của quá trình thoát nhiệt giảm dần, trong khi nhiệt độ kết thúc của quá trình thoát nhiệt tăng dần, và tổn thất khối lượng tăng dần. Khi SOC bằng 0%, hàm lượng CO trong khí sinh ra là cao nhất và độc tính khói là mạnh nhất; Ở mức 50%, lượng khí thải sinh ra là tối đa, nhưng hàm lượng CO tương đối thấp và đặc điểm của quá trình đốt cháy phản lực của pin lithium-ion là rõ ràng nhất

1.1 Truyền nhiệt độ mất kiểm soát

Pin lithium-ion 18650 có SOC là 20%, 30%, 50%, 70% và 100% được chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm bao gồm 4 pin và 1 bộ gia nhiệt hình trụ 100W. Người ta thấy rằng khi SOC là 50%, cả bốn pin đều bị mất kiểm soát nhiệt, với nhiệt độ đạt trên 700 ℃; Khi SOC là 40%, hai pin bị mất kiểm soát nhiệt; Khi SOC là 30%, 70% và 100%, chỉ có một pin mất kiểm soát nhiệt.

1.2 Tốc độ giải phóng nhiệt tối đa

Trong thí nghiệm về ảnh hưởng của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, hệ thống được chia thành 5 nhóm dựa trên các giá trị SOC là 20%, 30%, 50%, 70% và 100%. Hệ thống được đun nóng bằng cồn và các thay đổi về nhiệt của hệ thống được ghi lại bằng nhiệt lượng kế hình nón. Tốc độ giải phóng nhiệt cực đại (PHRR) được xác định bằng mối quan hệ giữa các thay đổi trong SOC và tốc độ giải phóng nhiệt cực đại (PHRR). Kết quả cho thấy PHRR tăng khi SOC tăng, với PHRR trung bình là 50% và PHRR tối thiểu là 20%. Khi xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, giá trị PHRR tối đa xuất hiện xung quanh 50% SOC, đây cũng là thời điểm dễ xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt nhất giữa các pin và gây ra mối nguy hiểm lớn nhất

1.3 Nhiệt độ

Khám phá mối quan hệ giữa nhiệt độ và sự thay đổi SOC trong pin lithium-ion 18650 trong các giai đoạn khác nhau của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt thông qua các thí nghiệm đo nhiệt độ. Thí nghiệm phát hiện ra rằng nhiệt độ T trong lần giải phóng khí đầu tiên do mất kiểm soát nhiệt không phụ thuộc vào SOC và vẫn ở mức khoảng 200 ℃; Nhiệt độ T2 trong lần giải phóng khí thứ hai cũng không phụ thuộc vào SOC, khoảng 260 ℃. Nhiệt độ cao nhất T MAX trong toàn bộ quá trình mất kiểm soát nhiệt tăng theo sự gia tăng của SOC. Ở mức 0%, nhiệt độ tối đa là khoảng 600 ℃ và ở mức 100%, nhiệt độ tối đa vượt quá 1000 ℃.

1.4 Giảm chất lượng

Khảo sát sự mất khối lượng trong quá trình mất nhiệt trong thí nghiệm mất khối lượng mất nhiệt. Sau lần giải phóng khí đầu tiên, khối lượng mất khoảng 2-3g, và sau lần giải phóng khí thứ hai, khối lượng mất khoảng 17g. Tổng thời gian của hai lần giải phóng là khoảng 2 giây. Khảo sát mối quan hệ giữa định luật biến thiên của mất khối lượng mất nhiệt và SOC, người ta thấy rằng khối lượng m sau lần giải phóng khí đầu tiên khỏi quá trình mất nhiệt không thay đổi theo sự thay đổi của SOC, và khối lượng mất trong giai đoạn này là một giá trị không đổi; Khối lượng m2 sau lần giải phóng khí thứ hai giảm khi SOC tăng. Khối lượng mất của pin trong toàn bộ quá trình mất nhiệt cho thấy xu hướng tăng khi SOC tăng. Trong cùng một SOC, khối lượng mất nhiệt là một hàm tuyến tính của dung lượng lưu trữ. Dung lượng lưu trữ càng lớn thì khối lượng mất nhiệt càng nhiều.

1.5 Giải phóng khí

Trong thí nghiệm nguy cơ rò rỉ khí, 400 pin lithium-ion 18650 có SOC là 50% được đặt trong một buồng áp suất rộng 10 mét vuông để trải nghiệm hiện tượng mất kiểm soát nhiệt. Áp suất đo được cho thấy áp suất tối đa mà chúng có thể tạo ra là 193,1kPa. Khi một pin duy nhất mất kiểm soát nhiệt, khoảng 6L khí dễ cháy có thể được giải phóng trong vòng 3 giây và tổng lượng khí được giải phóng và quy luật của từng thành phần tăng lên khi SOC tăng được thu được.

Thành phần khí có thể thay đổi tùy thuộc vào loại pin. Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra áp suất trong khoang hàng 737. Đo áp suất tạo ra do đánh lửa khí thoát ra từ quá trình thoát nhiệt của pin lithium trong khoang hàng 737 ở trạng thái môi trường thực tế là 70% công suất hàng. Kết quả cho thấy khi khí thoát ra từ quá trình thoát nhiệt của pin lithium-ion 18650 với 8 SOC là 50% hoặc 3 SOC là 100% bị đánh lửa, khói ngọn lửa và áp suất tạo ra sẽ khiến hệ thống chữa cháy trong khoang hàng bị hỏng.