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.