Kể từ khi pin lithium-ion được ứng dụng thương mại, công nghệ liên tục phát triển và được sử dụng rộng rãi trong xe điện, lưu trữ năng lượng, thông tin điện tử và các lĩnh vực khác, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của xã hội loài người. Tuy nhiên, cùng lúc đó, các hình thức nổ và cháy khác nhau đã xảy ra, làm dấy lên mối lo ngại về tính an toàn khi sử dụng pin lithium-ion. Các nhà nghiên cứu trước đây đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về nguy cơ cháy của pin lithium-ion.

Thông qua việc tiến hành các thử nghiệm lan truyền quá trình cháy trên các trạm sạc và đổi pin xe điện, độ ổn định nhiệt của các loại pin lithium-ion khác nhau đã được so sánh và phân tích. Người ta thấy rằng độ ổn định nhiệt của vật liệu lithium ba thành phần thấp hơn so với lithium sắt phosphate và lithium mangan oxit, và nhiệt độ cháy của chúng có nhiều khả năng đạt giá trị cực đại trong thời gian ngắn. Ngoài ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguy cơ nổ nhiệt của pin lithium-ion có liên quan chặt chẽ đến trạng thái sạc (SOC) của pin và nguy cơ thường tăng lên khi SOC tăng.

Trong quá trình lưu trữ, vận chuyển và sử dụng pin lithium, việc vô tình làm nóng có thể khiến pin tiếp xúc với môi trường nóng, gây ra nguy cơ lạm dụng nhiệt. Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tới hạn tương đương đối với sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium là từ 123,8 đến 139,2 ℃. Trong điều kiện quá nhiệt, các chất hoạt động bên trong pin lithium được tăng cường, có thể dễ dàng kích hoạt các phản ứng tỏa nhiệt hóa học giữa các vật liệu pin, dẫn đến quá trình gia nhiệt bên trong nhanh chóng vượt quá giá trị tới hạn và gây ra sự mất kiểm soát nhiệt và đánh lửa pin. Để mô phỏng môi trường quá nhiệt, phương pháp thử nghiệm thường được sử dụng là gia nhiệt bên ngoài có thể đẩy nhanh quá trình mô phỏng quá trình lạm dụng nhiệt của pin lithium.

Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu tập trung vào đặc điểm nhiệt độ tăng vọt và đặc điểm cháy của từng pin lithium-ion trong điều kiện quá nhiệt, và vẫn còn thiếu nghiên cứu về tình trạng lạm dụng nhiệt của các cụm pin mô-đun. Bài viết này sử dụng lò sưởi để mô phỏng quá trình lạm dụng nhiệt của các pin liền kề sau khi tình trạng nhiệt độ tăng vọt của cụm pin lithium 18650 ba thành phần, phân tích đặc điểm cháy và hành vi cháy của cụm pin lithium ở các vị trí gia nhiệt và điều kiện công suất gia nhiệt khác nhau, đồng thời cung cấp hướng dẫn lý thuyết và hỗ trợ dữ liệu cho việc sử dụng an toàn cụm pin lithium ion 18650 ba thành phần và phát triển công nghệ chữa cháy hiệu quả.

1 Chuẩn bị kiểm tra

1.1 Loại pin

Bài viết này sử dụng một bộ pin lithium-ion ba thành phần làm đối tượng nghiên cứu, có chiều dài 240 mm, chiều rộng 220 mm, chiều cao 85 mm và trọng lượng 7 kg. Điện áp của bộ pin trong quá trình hoạt động bình thường là 48 V, với dung lượng định mức là 30 Ah. Nó bao gồm 156 (12 x 13) cell pin 18650 tiêu chuẩn, mỗi cell có chiều cao 65 mm và đường kính tối đa là 18,4 mm. Trước khi thử nghiệm, hãy tháo bao bì bên ngoài của bộ pin, vì nó được làm bằng vật liệu chống cháy và không thể đốt cháy pin lithium thông qua quá trình gia nhiệt bên ngoài. Ngoài ra, các mạch bên trong và hệ thống quản lý pin vẫn không thay đổi và Trạng thái sạc (SOC) của pin là 100%.

1.2 Bố cục bài kiểm tra

Toàn bộ thử nghiệm được tiến hành trong một không gian hạn chế hẹp, có chiều dài 12 mét, chiều rộng 2 mét và chiều cao 2,4 mét, như thể hiện trong Hình 2. Có các cửa ở cả hai bên dọc của không gian hạn chế, luôn đóng trong suốt quá trình thử nghiệm.

Cửa sổ quan sát dài 1,2 m, cao 0,6 m được lắp đặt ở giữa bên hông, quạt hút khói được lắp đặt ở phía trên của bức tường đối diện để duy trì thông gió trong quá trình thử nghiệm. Tổng cộng có 11 vòi phun sương nước được lắp đặt trên đỉnh không gian hạn chế, với khoảng cách giữa các vòi phun là 1 m, để tiến hành thử nghiệm chữa cháy bằng sương nước và đóng vai trò là biện pháp chữa cháy dự phòng và làm mát để ngăn ngừa cháy không kiểm soát trong quá trình hỏa hoạn.

Đặt bộ pin lithium nằm ngang trên giá đỡ với cực dương hướng lên trên. Giá đỡ là cấu trúc lưới giúp làm nóng từ đáy pin. Có hai phương pháp làm nóng được sử dụng trong thử nghiệm:

(1) Lò nung nằm ở đáy của bộ pin lithium, bề mặt nung của lò điện cách bề mặt đáy của pin 8 cm, liên tục nung nóng điện cực âm ở bề mặt đáy của cell pin;

(2) Lò sưởi điện được đặt ở bên cạnh pin lithium, cách nhau 8 cm, liên tục làm nóng bên cạnh pin. Bề mặt làm nóng hiệu quả của lò sưởi điện dài 12 cm, rộng 12 cm, diện tích 144 cm²， Công suất làm nóng có thể điều chỉnh từ 0 đến 2000 W.

Quá trình sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để làm nóng bộ pin lithium và gây ra hiện tượng đánh lửa là mở lò điện để liên tục làm nóng cho đến khi pin lithium bắt lửa, sau đó tắt nguồn và dừng quá trình làm nóng.

Trong thử nghiệm, bốn cặp nhiệt điện bọc thép hình chữ K (T 1, T 2, T 3, T 4) được bố trí bên trong cụm pin, có đường kính 1 mm. Cặp nhiệt điện được đặt ở giữa cell pin, cách đáy 30 mm, để thu thập các thay đổi nhiệt độ ở các vị trí khác nhau của cụm pin. Tuy nhiên, đối với quá trình gia nhiệt đáy và gia nhiệt bên hông, vị trí đặt cặp nhiệt điện không giống nhau. Ngoài ra, một camera độ nét cao được lắp ở mặt trước để ghi lại quá trình lan tỏa quá trình cháy của cụm pin.

1.3 Điều kiện thử nghiệm

Tổng cộng có 5 thử nghiệm được tiến hành. Phương pháp gia nhiệt cho thử nghiệm 1-3 là gia nhiệt dưới, trong khi gia nhiệt bên được sử dụng cho thử nghiệm 4 và 5, chủ yếu để nghiên cứu ảnh hưởng của các vị trí gia nhiệt khác nhau đến đặc tính lan truyền cháy của cụm pin lithium. Trên cơ sở này, một bộ thử nghiệm chữa cháy, cụ thể là thử nghiệm 3, đã được tiến hành bằng cách sử dụng sương nước làm phương pháp chữa cháy. Thử nghiệm 1 và 2 được lặp lại bằng phương pháp gia nhiệt dưới. Ngoài ra, thử nghiệm 3 và 5 có công suất gia nhiệt cao hơn 2 kW so với ba nhóm còn lại, được sử dụng để nghiên cứu những thay đổi về nhiệt độ bên trong và đặc tính cháy của cụm pin lithium trong điều kiện tăng công suất nguồn nhiệt bên ngoài.