Pin lithium, đặc biệt là pin lithium-ion, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Mặc dù pin lithium-ion đã phát triển nhanh chóng và được sử dụng rộng rãi, nhưng nếu phát sinh vấn đề về an toàn, hậu quả sẽ rất nghiêm trọng. Pin lithium ban đầu sử dụng lithium kim loại ở điện cực âm, dễ bị dendrite lithium và thậm chí bị ăn mòn trong quá trình sạc. Điều này đã rút ngắn đáng kể thời gian chu kỳ và tuổi thọ của pin, và trong trường hợp nghiêm trọng, thậm chí có thể dẫn đến đoản mạch hoặc nổ.

Bằng cách tìm kiếm tài liệu bằng sáng chế pin lithium trực tuyến và phân tích các chỉ số kỹ thuật có liên quan của pin lithium theo quan điểm đo lường, kết quả phân tích cho thấy khối lượng ứng dụng trong lĩnh vực pin lithium đã cho thấy xu hướng tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây.

Bài viết này đã thu được các thông số đặc trưng cơ bản của pin lithium-ion thông qua thử nghiệm thực nghiệm cơ bản và thiết lập mô hình điện hóa của pin lithium-ion bằng phần mềm mô phỏng số Comsol, xác minh độ chính xác của mô hình. Trên cơ sở này, kết hợp với một số phương trình điện hóa, các thay đổi điện áp của pin lithium trong các môi trường khác nhau đã được phân tích thông qua mô phỏng.

Mục đích và nội dung nghiên cứu chính của bài viết này là phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và bán kính hạt điện cực âm đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium. Sử dụng phần mềm mô hình hóa Comsol, ảnh hưởng của nhiệt độ và bán kính hạt điện cực âm đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium đã được nghiên cứu bằng phương pháp biến điều khiển, trong khi giữ các biến khác không đổi.

1 Nguyên lý hoạt động của pin lithium

Khi pin được sạc, ion lithium được tạo ra trên điện cực dương và di chuyển qua chất điện phân đến điện cực âm. Cấu trúc do carbon tạo thành trong điện cực âm có nhiều lỗ rỗng và các ion lithium tiếp cận điện cực âm sẽ được nhúng vào các lỗ rỗng nhỏ của lớp carbon. Khả năng sạc có mối tương quan tích cực với số lượng ion lithium được nhúng.

Khi pin được xả, các ion lithium được nhúng trong lớp carbon catốt sẽ thoát ra, đi vào chất điện phân, xuyên qua màng polyme và cuối cùng được nhúng vào vật liệu hoạt động của điện cực dương. Cuối cùng, càng nhiều ion lithium trở lại điện cực dương thì khả năng xả càng cao. Trên thực tế, quá trình xả đạt được thông qua hành vi khử mực và nhúng của các ion lithium trong vật liệu hoạt động lưỡng cực. Vì vậy, dung lượng pin thường được gọi là “dung lượng xả”.

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Do ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài đến đặc tính sạc và xả của pin lithium, nó được sử dụng như một biến để quan sát điện áp xả của cùng một loại pin ở các nhiệt độ khác nhau để xác định hiệu suất của nó và đo khả năng làm việc của nó. Mô hình này đã nghiên cứu hình ảnh đường cong điện áp pin ở 300 K và 500 K.

Đối với hai đường cong, người ta thấy rằng nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 500 K và điện áp tại điểm cao nhất tăng gần 0,1 V, trong khi điện áp tại điểm thấp nhất giảm gần 0,1 V. Quan sát và so sánh các đường cong tiếp theo cho thấy rằng trong giai đoạn xả ban đầu, điện áp của pin lithium giảm nhanh và độ dốc của đường cong điện áp giảm; Vào cuối quá trình xả, đường cong điện áp giảm mạnh và cuối cùng giảm xuống điện áp cắt.

Thông qua phân tích, người ta thấy rằng đường cong điện áp của quá trình xả pin trải qua những thay đổi đáng kể ở các nhiệt độ khác nhau. Trong cùng điều kiện khác, khi nhiệt độ giảm, điện áp xả ban đầu giảm và thời gian xả ngắn lại. Do đó, điện áp giảm mạnh trong giai đoạn xả ban đầu, sau đó giảm chậm và do điện trở trong tăng, nhiệt độ bên trong tăng theo quá trình xả, dẫn đến độ dẫn ion của chất điện phân tăng.

Khi kết thúc quá trình xả, điện áp giảm mạnh vì nồng độ chất phản ứng âm giảm và lượng ion lithium nhúng trong cấu trúc điện cực dương tăng lên, dẫn đến phản ứng kết thúc. Khi nhiệt độ môi trường giảm, tốc độ giảm điện áp tăng. Khi pin lithium được xả, các ion lithium được nhúng trong catốt.

Càng nhiều ion lithium được nhúng, càng nhiều điện tích được giải phóng và điện áp sẽ giảm tương ứng. Tương tự như vậy, trong quá trình sạc, càng nhiều ion lithium được loại bỏ khỏi anot, càng nhiều điện tích được tích và điện áp sẽ tăng tương ứng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục giảm và độ nhớt của chất điện phân tiếp tục tăng, quá trình di chuyển ion lithium sẽ trở nên rất khó khăn, dẫn đến lượng di chuyển giảm dần.

3 Ảnh hưởng của kích thước bán kính hạt điện cực âm

Ở một nhiệt độ nhất định, có thể thấy từ những thay đổi về điện áp pin và mật độ dòng điện pin được áp dụng rằng trong điều kiện nhiệt độ 300 K, điểm chung của pin lithium-ion như sau: độ dốc của đường cong điện áp cao trong giai đoạn xả ban đầu và độ dốc thay đổi chậm. Cuối cùng, nó giảm xuống điện áp cắt ở tốc độ cố định và sau đó đột ngột thay đổi.

Khi kết thúc quá trình xả, độ dốc của điện áp giảm đầu tiên tăng lên rồi giảm xuống. Trong quá trình xả, các ion lithium được nhúng vào điện cực âm, giải phóng nhiều điện tích hơn và làm giảm điện áp. Ngược lại, khi sạc, các ion lithium dương được nhúng vào, khiến nhiều điện tích hơn tăng đột biến, dẫn đến tăng điện áp.

Bằng cách phân tích dữ liệu về các bán kính hạt điện cực âm khác nhau, có thể kết luận rằng khi bán kính hạt điện cực âm giảm, khi mật độ dòng điện của bộ pin được sử dụng giống nhau và gần bằng không, bán kính hạt điện cực âm càng nhỏ, điện áp pin càng thấp và ứng suất bên trong pin càng nhỏ. Do đó, tuổi thọ pin dài hơn so với pin có các hạt điện cực âm lớn hơn.

4 Kết luận

Bằng cách sử dụng phần mềm mô hình hóa phù hợp, hiệu suất sạc và xả pin lithium-ion có thể được nghiên cứu chi tiết và chính xác từ vĩ mô đến vi mô, từ thí nghiệm đến mô hình. Bài viết này bắt đầu bằng phản ứng điện hóa của pin lithium-ion và rút ra những kết luận sau:

(1) Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến các hoạt chất bên trong và độ nhớt của chất điện phân trong pin lithium-ion, do đó làm thay đổi hiệu quả sạc và xả.

(2) Kích thước bán kính hạt điện cực âm sẽ ảnh hưởng đến sự tách liên kết giữa các hạt và điện cực âm, ảnh hưởng thêm đến hiệu quả dẫn điện và cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu quả sạc và xả.

c) Thử nghiệm ngắn mạch

Pin lithium ion được bảo quản trong buồng chống cháy nổ ở nhiệt độ phòng (20 ± 5)°C. Khi pin lithium-ion bị ngắn mạch ngoài, điện trở mạch ngoài phải nhỏ hơn 5 mΩ. Trong quá trình thử nghiệm, pin lithium-ion không được phát nổ hoặc bắt lửa. Thử nghiệm này nhằm đánh giá hiệu suất của pin lithium-ion trong quá trình sử dụng bình thường hoặc khi xảy ra tai nạn. Có thể xảy ra ngắn mạch giữa cực dương và cực âm của pin, điều này có thể tạo ra một dòng điện lớn. Lúc này, mạch bảo vệ bên trong của pin sẽ hoạt động và ngắt kết nối các điện cực. Đảm bảo pin không phát nổ hoặc bắt lửa.

d) Thử nghiệm rơi

Pin lithium ion được vận hành ở nhiệt độ (20 ± 5)°C. Rơi từ độ cao 1,5 mét từ hướng Nam xuống sàn gỗ cứng dày 20 mm. Mỗi bên trải qua một lần thử nghiệm thả rơi (pin được đề cập ở đây có dạng hình chữ nhật nên cần phải trải qua sáu lần thử nghiệm thả rơi) trong quá trình thử nghiệm. Pin lithium ion không được phát nổ, bắt lửa hoặc rò rỉ chất lỏng.

e) Thử nghiệm gia nhiệt

Đặt pin lithium-ion vào buồng nhiệt độ không đổi. Và duy trì nhiệt độ không thay đổi trong 120 phút. Trong quá trình thử nghiệm, pin lithium-ion không được phát nổ hoặc bắt lửa.

Xe điện được lái trong thời gian dài dưới ánh nắng mặt trời thiêu đốt. Đặt pin nguồn trong không gian kín. Nhiệt độ môi trường làm việc của nó có thể đạt tới trên 60°C. Nếu pin lithium-ion không thể chịu được các thử nghiệm được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao. Vụ nổ và cháy nổ sẽ xảy ra. Thí nghiệm này nhằm đánh giá hiệu suất an toàn của pin điện trong môi trường nhiệt độ cao.

f) Thử nghiệm nén

Đặt pin lithium-ion vào buồng thử nén. Tác dụng lực theo hướng vuông góc với tấm pin, có diện tích nén không nhỏ hơn 20 cmz. Bóp cho đến khi vỏ pin bị vỡ hoặc xảy ra đoản mạch bên trong (điện áp của pin trở thành 0V). Thử nghiệm này là một thử nghiệm phá hủy. Trong quá trình thử nghiệm, pin lithium-ion không được phát nổ hoặc bắt lửa.

Nếu xe điện gặp tai nạn khi đang lái xe. Đặc biệt là khi bộ phận đặt ắc quy điện của xe điện bị xe khác đâm vào. Vỏ ngoài của pin nguồn có thể bị vỡ. Thậm chí, pin điện có thể bị vỡ, dẫn đến cháy nổ.

g) Thử nghiệm đâm kim

Pin lithium ion được đặt trong buồng thử nghiệm đâm kim chống cháy nổ. Sử dụng kim thép chịu nhiệt độ cao có đường kính 3-8 mm. Với tốc độ 10-40 mm/s. Thông qua hướng vuông góc với tấm pin (kim thép nằm trong pin), pin được duy trì ở trạng thái ngắn mạch thông qua sự xuyên qua của kim thép. Trong quá trình thử nghiệm, pin lithium-ion không được phát nổ hoặc bắt lửa

Hầu hết các bộ phận của ô tô đều được làm bằng kim loại, đặc biệt trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc tai nạn xe điện. Sau khi bị trúng nguồn pin. Có thể có bộ phận kim loại xuyên qua hoặc thậm chí xuyên qua pin điện. Gây đoản mạch ắc quy, rò rỉ chất điện phân bên trong, bốc khói và hỏng ắc quy. Thử nghiệm đâm kim và thử nghiệm nén đều được sử dụng để đánh giá hiệu suất an toàn của pin điện trong trường hợp xảy ra tai nạn.

Trên đây là xác minh hiệu suất an toàn của từng pin lithium-ion riêng lẻ, nhưng tất nhiên, hiệu suất an toàn của từng pin không thể thể hiện đầy đủ hiệu suất an toàn của bộ pin tổng thể. Điều này là do sự khác biệt tồn tại trong từng loại pin. Khi hình thành một bộ pin, mức độ nhất quán động của một pin sẽ không đạt được và tình trạng này sẽ dẫn đến sự mất ổn định của bộ pin. Nó thậm chí có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng của nó. Như vậy sau khi ghép các pin riêng lẻ thành các module pin. Việc kiểm tra hiệu suất an toàn ở trên nên được lặp lại.

Chúng ta cũng nên biết. Sự an toàn của pin lithium-ion không chỉ bị ảnh hưởng bởi các khía cạnh trên. Do các yêu cầu khác nhau đối với thiết kế tổng thể của xe điện và bản thân quá trình thiết kế pin. Nó sẽ khiến vị trí của ắc quy trên xe bị khác đi. Nó có thể được chia thành bố cục tập trung hoặc bố cục phi tập trung, mỗi bố cục đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Vì vậy, khi sắp xếp vị trí của ắc quy, cần phải tính đến tình hình không gian thực tế bên trong xe: nếu chúng ta muốn đạt được một cách bố trí nhỏ gọn. Cần thay đổi phương pháp lắp đặt ắc quy xe điện truyền thống; Tất nhiên rồi. Sự an toàn của pin cũng cần được xem xét. Để tiếp tục đạt được sự kết hợp hoàn hảo giữa thiết kế xe và thiết kế phù hợp với hệ thống ắc quy.

3 Kết luận

Đặc tính sử dụng của ắc quy điện trên xe điện không thể so sánh được với các nguồn điện và ắc quy khác. Do việc sử dụng ô tô, vị trí của chúng và các tình huống khác nhau có thể xảy ra, pin dễ bị chuyển động ở tốc độ cao, rung lắc mạnh, hoạt động ở nhiệt độ cao, sạc và xả nhanh, có khả năng bị va đập, thủng, cũng như đoản mạch, té ngã, ngâm nước, cháy nổ và thậm chí cả tiếng súng. Vì thế, xe điện có yêu cầu cực kỳ cao về an toàn đối với pin điện. Một xác suất không an toàn nhỏ có thể gây ra hậu quả cực kỳ nghiêm trọng cho pin.

Tóm lại, ứng dụng pin xe điện sẽ ngày càng trở nên phổ biến. Cải thiện hiệu suất an toàn của pin xe điện sẽ là một chủ đề thường trực liên quan đến pin xe điện.

Pin xe điện EV là xu hướng phát triển trong tương lai của ngành công nghiệp ô tô – xe điện. Mối nguy hiểm lớn nhất về an toàn của nó là nổ, cháy và cháy của pin điện. Trên thực tế, các vụ cháy và nổ xe điện không phải là hiếm.  Những vụ tai nạn này đã làm dấy lên nhiều mối lo ngại về hiệu suất an toàn của pin lithium-ion được sử dụng trong xe điện.

Với sự phổ biến của các loại xe năng lượng mới được đại diện bởi năng lượng pin. Hiệu suất an toàn của pin điện ngày càng trở nên quan trọng. Pin là một vật mang năng lượng và có các yếu tố an toàn vốn có trong các hệ thống điện hóa khác nhau, dung lượng khác nhau. Sự khác biệt trong quy trình sản xuất, cũng như môi trường và mức độ sử dụng, có tác động đáng kể đến sự an toàn của pin.

1 Thử nghiệm môi trường

Việc sử dụng pin lithium-ion an toàn trong các điều kiện môi trường khác nhau là rất quan trọng. Trong số tất cả các yếu tố môi trường. Nhiệt độ có tác động lớn nhất đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium. Giao diện giữa các điện cực/chất điện phân được coi là trái tim của pin lithium. Nếu nhiệt độ giảm, tốc độ phản ứng của điện cực cũng sẽ giảm: giả sử điện áp của pin lithium không đổi, dòng điện xả sẽ giảm. Công suất đầu ra của pin lithium cũng sẽ giảm. Khi nhiệt độ tăng, công suất đầu ra của pin lithium sẽ tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền chất điện phân, khi nhiệt độ tăng thì tăng tốc và khi nhiệt độ giảm thì chậm lại: hiệu suất sạc và xả của pin lithium cũng sẽ bị ảnh hưởng. Nhưng nếu nhiệt độ quá cao, nó sẽ phá vỡ sự cân bằng hóa học bên trong pin lithium. Chúng tôi đã tiến hành các thử nghiệm môi trường thường quy bằng cách sử dụng một pin lithium-ion 20 Ah đơn làm ví dụ:

a) Đầu tiên, trong buồng thử nghiệm có nhiệt độ môi trường là (20 ± 5) ℃ ở nhiệt độ phòng. Xả pin lithium-ion ở dòng điện 1 IV A cho đến khi điện áp kết thúc xả là 2,0 V. Tại thời điểm này, hãy thử nghiệm bộ pin này. Giá trị dung lượng không được thấp hơn giá trị định mức hoặc vượt quá 110% giá trị dung lượng. Kết quả thử nghiệm dung lượng là 21 Ah, bằng 105% giá trị định mức, cho thấy pin lithium-ion nằm trong phạm vi đủ điều kiện ở nhiệt độ phòng là (20 ± 5) ℃.

b) Thứ hai, đối với pin lithium-ion được sạc đầy, hãy lưu trữ chúng trong buồng thử nghiệm nhiệt độ thấp ở (-20 ± 2) ℃ trong 20 giờ. Xả ở dòng điện 1 IVA trong điều kiện môi trường (-20 ± 2) ℃. Dung lượng của pin lithium-ion không được thấp hơn 70% giá trị định mức cho đến khi điện áp kết thúc xả là 2. O V. Sau khi đo, dung lượng của pin là 20 Ah, đây là giá trị định mức, cho biết không có thay đổi nào về giá trị dung lượng của nó ở nhiệt độ thấp là 20 ℃.

C) Cuối cùng, đối với pin lithium-ion đã sạc đầy, hãy lưu trữ chúng trong buồng thử nghiệm nhiệt độ cao ở (55 ± 2) ℃ trong 5 giờ, sau đó xả chúng ở dòng điện 1 IV A dưới (55 ± 2) ℃ cho đến khi điện áp kết thúc xả là 2,0 V. Dung lượng không được thấp hơn 95% giá trị định mức. Giá trị dung lượng thực tế được đo là 20 Ah. Ở nhiệt độ cao là 55 ℃, giá trị dung lượng vẫn không thay đổi.

Mặc dù về mặt lý thuyết, môi trường có tác động đến pin lithium-ion. Nhưng kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng nhóm pin lithium-ion này hoạt động dưới sự thay đổi nhiệt độ. Giá trị dung lượng không thay đổi đáng kể. Bộ pin lithium-ion được sử dụng làm pin điện cho xe điện. Nó đạt được bằng cách ghép N pin lithium-ion riêng lẻ thể tích nhỏ theo chuỗi và song song để cung cấp năng lượng cho toàn bộ xe. Vì vậy, sự an toàn của từng pin lithium-ion trong xe ô tô là rất quan trọng.

2. Thử nghiệm an toàn 

Pin đơn của pin lithium-ion là một hệ thống điện hóa tương đối phức tạp bao gồm các thành phần như điện cực dương, điện cực âm, bộ tách và chất điện phân. Mức độ an toàn của nó phụ thuộc vào “hiệu ứng tấm đáy” của toàn bộ thành phần. Chỉ bằng cách đạt được sự an toàn riêng lẻ, hiệu suất tổng thể của pin mới có thể được cải thiện an toàn sau khi kết nối nối tiếp và song song. Vậy làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo an toàn cho từng pin lithium-ion? Chúng ta cần xác minh thông qua các thử nghiệm an toàn sau đây (thử nghiệm hiệu suất an toàn là thử nghiệm phá hủy. Vì lý do an toàn, pin được thử nghiệm phải được đặt trong buồng chống nổ):

a) Xả quá ngưỡng

Pin lithium-ion được lưu trữ trong buồng chống cháy nổ ở nhiệt độ phòng (20 ± 5) ℃. Xả ở dòng điện 1 IV A cho đến khi điện áp của pin đạt 0 V (nếu có mạch bảo vệ điện tử, mạch bảo vệ điện tử xả phải được tạm thời tháo ra). Pin lithium-ion không được nổ, bắt lửa hoặc rò rỉ chất lỏng, như thể hiện trong Hình 1. Qua thử nghiệm, tình huống trên không xảy ra ở pin lithium-ion. Mục đích của thí nghiệm này là đánh giá phạm vi lái xe của xe điện vượt quá dung lượng pin quy định. Hiệu suất an toàn của pin lithium-ion trong điều kiện xả cực độ.

b) Sạc quá ngưỡng

Có hai cách để tiến hành thử nghiệm quá tải trên pin lithium-ion:

1) Pin lithium ion được sạc trong phòng chống cháy nổ ở nhiệt độ phòng (20 ± 5) ℃ với dòng điện 3 IV A. Thử nghiệm dừng lại khi điện áp pin đạt 5 V hoặc thời gian sạc đạt 90 phút (ưu tiên một trong các điều kiện);

2) Sạc với dòng điện 9 IV A và dừng thử nghiệm khi điện áp của pin lithium-ion đạt 10 V. Khi đạt đến điện áp quy định, pin lithium-ion không được nổ hoặc bắt lửa. Pin lithium-ion không nổ hoặc bắt lửa. Thí nghiệm này nhằm đánh giá quá trình sạc pin lithium-ion cho xe điện. Khi thiết bị sạc mất kiểm soát hoặc xảy ra tai nạn do yếu tố con người. Gây ra tình trạng sạc quá mức dòng điện cao. Hiệu suất an toàn của pin lithium-ion ở trạng thái này.