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.