Ý nghĩa của việc thử nghiệm đâm xuyên

Thử nghiệm xuyên đinh là phương pháp thử nghiệm ngắn mạch bên trong để thử nghiệm độ an toàn của pin lithium-ion để chịu được ngắn mạch bên trong. Sử dụng đinh thép để xuyên qua pin, mô phỏng ngắn mạch bên trong và tiến hành thử nghiệm để xác nhận xem pin có bốc khói, bắt lửa hay vỡ không. Ngoài ra, thử nghiệm xuyên đinh không chỉ là thử nghiệm để xác nhận độ an toàn của pin mà còn là thử nghiệm để hiểu các đặc tính cơ bản của pin.

Trong điều kiện bình thường, các tấm điện cực dương và âm của pin lithium-ion được cách điện bằng một lớp màng cách điện polymer trong chất điện phân hữu cơ – một lớp ngăn cách. Ở trạng thái này, việc đưa đinh thép vào bên trong pin lithium-ion sẽ tạo ra một mạch ngắn giữa các tấm điện cực dương và âm, buộc phải thực hiện thử nghiệm ngắn mạch bên trong. Đặc điểm của phương pháp thử nghiệm này là có thể điều chỉnh các điều kiện thử nghiệm như đường kính, vật liệu, độ sâu chèn, vị trí chèn và tốc độ chèn của đinh thép được chèn vào pin.

Nguy cơ đâm xuyên

Nhu cầu thử nghiệm độ xuyên đinh trong pin lithium-ion có nghĩa là chúng dễ bị ngắn mạch bên trong và nếu xảy ra ngắn mạch, chúng sẽ ở trạng thái rất nguy hiểm. Pin lithium-ion có đặc điểm là mật độ năng lượng cao, điện trở trong thấp và cho phép dòng điện chạy qua cao, khiến chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm. Nói chung, hiện tượng ngắn mạch bên trong pin trong quá trình sử dụng là do sự hiện diện của các vật thể lạ dẫn điện trong quá trình sản xuất hoặc do tác động hoặc ứng suất bên ngoài.

Trên thực tế, một khi sản phẩm được sản xuất, rất khó để thực hiện các biện pháp đối với hiện tượng ngắn mạch bên trong trong các hệ thống điều khiển, bao gồm cả mạch sạc và xả pin. Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch bên trong, một dòng điện ngắn mạch lớn sẽ được tạo ra bên trong pin, từ đó tạo ra nhiệt Joule. Nhiệt này gây ra phản ứng của các chất điện phân hữu cơ dễ cháy, tạo ra khí nhiệt độ cao và làm tăng khả năng mất kiểm soát nhiệt. Khi hiện tượng mất kiểm soát nhiệt xảy ra, có thể xảy ra khói và lửa, và trong trường hợp nghiêm trọng, pin có thể bị vỡ, gây nguy hiểm cho sự an toàn cá nhân của người sử dụng.

Theo quan điểm của người dùng, việc đảm bảo an toàn cho pin là rất quan trọng đối với ứng dụng pin lithium-ion. Thử nghiệm bằng kim bao gồm việc đóng đinh thép vào pin, điều này có thể dễ dàng tạo ra một mạch ngắn bên trong giữa các điện cực dương và âm. Tuy nhiên, khi đinh được đóng vào pin để tạo thành một lỗ trên bề mặt pin, lỗ này sẽ giải phóng khí nhiệt độ cao, gây ra sự thay đổi trạng thái tản nhiệt bên trong của pin, có thể khác với tình huống ngắn mạch bên trong thực tế.

Thử nghiệm đâm xuyên góc tù

Thử nghiệm ngắn mạch bên trong bắt buộc sử dụng một chốt hình cầu ở trên cùng, đây là phương pháp kiểm tra có thể tạo ra một mạch ngắn bên trong (ngắn mạch nhỏ) mà không gây thủng trên bề mặt pin, được gọi là Thử nghiệm đinh cùn. Phương pháp này tạo ra một mạch ngắn giữa các vật liệu điện cực (tấm điện cực dương và âm) của pin thông qua áp lực của đinh, dẫn đến chỉ biến dạng nhẹ của pin được kiểm tra. So với thử nghiệm xuyên đinh thông thường, phương pháp này có thể tạo ra trạng thái gần với mạch ngắn bên trong thực tế hơn.

Chuẩn bị buồng thử nghiệm

Để tiến hành thử nghiệm này, việc đóng đinh thủ công vào pin lithium-ion chắc chắn là không khả thi. Đừng thử dễ dàng – đinh có thể bắn ra ngoài, gây thương tích cho tay và cơ thể. Do đó, chúng ta cần sử dụng máy thử kim. Buồng thử độ xuyên đinh DGBELL được sử dụng ở đây (với áp suất tối đa là 20 k N và hành trình 200 mm) đã được chế tạo để có thể lắp đinh thép có hai đường kính khác nhau (φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Các biện pháp an ninh

Vì lý do an toàn, máy thử nghiệm có chức năng chống cháy nổ để ngăn ngừa cháy nổ pin gây nguy hiểm cho sự an toàn của nhân viên thử nghiệm. Do cân nhắc về giá cả, máy thử nghiệm có các tùy chọn cho động cơ thủy lực và động cơ servo máy tính. Động cơ thủy lực dễ vận hành, trong khi động cơ servo có thể được thiết lập với các điều kiện thử nghiệm chi tiết hơn, mang lại độ chính xác cao hơn. Được trang bị hệ thống thu thập nhiệt độ và điện áp, dữ liệu nhiệt độ pin được thu thập thông qua cặp nhiệt điện loại K, cắm và chạy, với phạm vi đo từ 0-600 ℃. Phạm vi thu thập điện áp là 0-50 V. Hộp thử nghiệm được trang bị các đồ gá có thể cố định pin và kim thép có kích thước khác nhau. Tốc độ chèn của đinh có thể điều chỉnh từ 0,1 đến 80 mm/giây.

Các biện pháp phòng ngừa liên quan

Ở đây, chúng tôi thử nghiệm ba loại pin xếp chồng khác nhau (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). Dữ liệu cần đo như sau:

• Sự thay đổi điện áp cực của pin theo thời gian
• Nhiệt độ bề mặt pin
• Những thay đổi về hình dạng và vẻ ngoài của pin sau khi bị đinh đâm vào

Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần chuẩn bị kỹ các biện pháp phòng cháy chữa cháy, an toàn như: phòng ngừa bắn tóe, chừa đủ không gian bảo dưỡng cho máy thử nghiệm, đảm bảo hệ thống chữa cháy hoạt động bình thường.

Sự khác biệt do tình trạng đâm xuyên đinh

Dựa trên một số kết quả thực nghiệm, bao gồm các kết quả thử nghiệm ở trên, có thể suy ra những sự kiện sau đây.

(1) Tại điểm đâm thủng, điện áp đầu cực giảm đáng kể và giảm dần xuống 0 V. Khi điện áp giảm đến một mức độ nhất định, sẽ có sự dao động đáng kể trong đường cong điện áp.

(2) Ở giai đoạn điện áp thay đổi đáng kể từ điểm kim đến cực, kết quả thử nghiệm của các loại pin và điều kiện kim khác nhau cũng khác nhau, nhưng điện áp cực sẽ giảm xuống 0 V sau 10-20 giây.

(3) Khi thử nghiệm các loại pin có cùng dung lượng, đinh càng dày thì sự thay đổi điện áp cực càng lớn.

Đo nhiệt độ bề mặt pin

Sau khi đinh xuyên qua, nhiệt độ bề mặt của pin xếp chồng có thể được thu thập theo thời gian thông qua hệ thống thu thập nhiệt độ. Sử dụng φ Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt được đo trong quá trình thử nghiệm đâm thủng pin xếp chồng 2000 m Ah bằng đinh thép 5 mm.

Nhiệt độ tăng sau khi đâm đinh

Trong quá trình thử nghiệm đâm thủng một ắc quy xếp chồng 2000 m Ah bằng đinh thép 5 mm, đã xảy ra tình huống cháy kèm theo và nhiệt độ vượt quá 200 ℃. Ngoài ra, trong quá trình thử nghiệm các mẫu ắc quy 1000 m Ah φ Một đám cháy đã bùng phát khi một đinh thép 3 mm bị đâm thủng. Sử dụng φ Trong thử nghiệm đâm thủng được tiến hành bằng đinh thép 5 mm, không chỉ xảy ra cháy mà nhiệt độ ắc quy cũng tăng đáng kể. Ngoài ra, chúng tôi đã thử nghiệm nhiều mẫu ắc quy bằng đinh thép có đường kính khác nhau và xu hướng tăng nhiệt độ theo thời gian tương tự như hình trên. Hơn nữa, nhiệt độ cao nhất đo được đối với các ô ắc quy khác nhau cũng có thể dưới 100 ℃.

Kết luận

Bài thử nghiệm này, bằng cách làm ngắn mạch các điện cực dương và âm, ngay lập tức chuyển đổi năng lượng điện được lưu trữ bên trong pin thành năng lượng nhiệt, tạo ra đủ nhiệt để khiến chất điện phân cháy và phát nổ. Theo quan điểm năng lượng, nhiệt sinh ra khi đốt cháy xăng gần như giống nhau. Đây là một bài thử nguy hiểm! Tôi tin rằng bạn đã có một số hiểu biết, đừng dễ dàng thực hiện bài thử này. Tuy nhiên, như một đánh giá an toàn để thiết kế và sản xuất pin, thử nghiệm đâm đinh có thể được thực hiện mà không cần dựa vào một lượng lớn tiền tài trợ và kết quả đo lường có thể được phản ánh trong quá trình sản xuất. Cuối cùng, pin lithium-ion an toàn khi sử dụng trong phạm vi định mức do nhà sản xuất chỉ định. Vượt quá phạm vi định mức, chẳng hạn như sạc quá mức hoặc xả quá mức nhiều lần, có thể khiến pin bắt lửa hoặc bị hỏng.