Các vấn đề về an toàn là trở ngại chính đối với việc ứng dụng pin lithium-ion trên quy mô lớn trong xe điện. Với sự cải thiện liên tục về mật độ năng lượng của pin lithium-ion, việc cải thiện tính an toàn của chúng ngày càng trở nên cấp thiết đối với sự phát triển của xe điện. Sự mất kiểm soát nhiệt là một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu về an toàn pin. Do đó, bài viết này cung cấp một đánh giá toàn diện về cơ chế mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion thương mại được sử dụng trong xe điện. Tóm tắt các tình huống lạm dụng có thể dẫn đến mất kiểm soát nhiệt . Các tình huống lạm dụng bao gồm lạm dụng cơ học, lạm dụng điện và lạm dụng nhiệt . Đoản mạch bên trong là đặc điểm phổ biến nhất của tất cả các tình trạng lạm dụng.

Lạm dụng cơ học

Dưới tác động của ngoại lực, sự biến dạng của các cell pin lithium và cụm pin, cũng như sự dịch chuyển tương đối của các bộ phận khác nhau của chính chúng, là đặc điểm bên ngoài chính của sự lạm dụng cơ học. Các hình thức chính của cell pin bao gồm va chạm, nén và đâm đinh. Xem xét mức độ của cụm pin, các vấn đề rung động cũng cần được xem xét.

Trong lạm dụng cơ học, nguy hiểm nhất là đâm đinh, khi dây dẫn được cắm vào thân pin, gây ra hiện tượng đoản mạch trực tiếp giữa cực dương và cực âm. So với va chạm, bóp méo, v.v., thì chỉ có khả năng xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong. Quá trình đâm đinh sinh nhiệt mạnh hơn và khả năng nóng lên không kiểm soát cao hơn.

Trước đây, phương pháp thử nghiệm đâm thủng bằng đinh được coi là phương pháp thử nghiệm thay thế cho ISC. Tuy nhiên, khả năng lặp lại của thử nghiệm kim đang bị các nhà sản xuất pin thách thức. Một số người tin rằng pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn sẽ không bao giờ vượt qua được thử nghiệm đột biến tiêu chuẩn. Việc cải thiện khả năng lặp lại của thử nghiệm đâm thủng bằng đinh hoặc tìm ra các phương pháp thử nghiệm thay thế vẫn là một vấn đề còn bỏ ngỏ và đầy thách thức trong nghiên cứu về tính an toàn của pin lithium-ion.

Lạm dụng điện

Việc sử dụng pin lithium quá mức về điện thường bao gồm các hiện tượng đoản mạch bên ngoài, sạc quá mức và xả, trong đó sạc quá mức có khả năng dẫn đến mất kiểm soát nhiệt độ cao nhất.

Đoản mạch bên ngoài xảy ra khi hai dây dẫn có chênh lệch áp suất được kết nối bên ngoài cell. Đoản mạch bên ngoài của bộ pin có thể do biến dạng, ngâm, nhiễm bẩn dây dẫn hoặc điện giật trong quá trình bảo dưỡng do va chạm xe hơi.

So với sự đâm xuyên của đinh, nhiệt do ngắn mạch ngoài tỏa ra thường không làm nóng pin. Mối liên hệ quan trọng giữa ngắn mạch ngoài và sự mất kiểm soát nhiệt là nhiệt độ quá cao. Khi nhiệt do ngắn mạch ngoài sinh ra không thể tản ra tốt, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên và nhiệt độ tiếp xúc cao sẽ mất kiểm soát. Do đó, cắt dòng ngắn mạch hoặc tản nhiệt quá mức là những phương pháp để ngăn chặn tác hại tiếp theo do ngắn mạch ngoài gây ra.

Sạc quá ngưỡng

Do hàm lượng năng lượng cao, đây là loại lạm dụng điện nguy hiểm nhất. Sinh ra nhiệt và khí là hai đặc điểm chung trong quá trình sạc quá mức. Nhiệt xuất phát từ nhiệt Ohmic và các phản ứng phụ. Thứ nhất, do chèn lithium quá mức, các dendrite lithium phát triển trên bề mặt anot. Thời điểm các dendrite lithium bắt đầu phát triển được xác định bởi tỷ lệ hóa học của catốt và anot. Thứ hai, sự tách rời quá mức của lithium dẫn đến sự sụp đổ của cấu trúc catốt do nhiệt và giải phóng oxy. Việc giải phóng oxy đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân, tạo ra một lượng lớn khí. Do áp suất bên trong tăng lên, van xả mở ra và pin bắt đầu cạn kiệt. Sau khi hoạt chất trong cell pin tiếp xúc với không khí, nó trải qua phản ứng dữ dội và giải phóng một lượng nhiệt lớn. Bảo vệ quá tải có thể được thực hiện từ hai khía cạnh: quản lý điện áp và điều chỉnh vật liệu.

Xả quá ngưỡng

Điện áp không đồng đều giữa các pin trong một bộ pin là điều không thể tránh khỏi. Do đó, một khi BMS không thể theo dõi cụ thể bất kỳ cell pin nào có điện áp thấp nhất, nó sẽ bị xả quá mức. Cơ chế lạm dụng xả quá mức khác với các dạng lạm dụng khác và nguy cơ tiềm ẩn của nó có thể bị đánh giá thấp.

Trong quá trình xả quá mức, pin có điện áp thấp nhất trong bộ pin có thể bị xả cưỡng bức bởi các pin khác được kết nối nối tiếp. Trong quá trình xả cưỡng bức, đảo cực khiến điện áp pin trở nên âm, dẫn đến tình trạng nóng bất thường của pin đã xả quá mức. Các ion đồng hòa tan do xả quá mức di chuyển qua màng và tạo thành các nhánh cây đồng có điện thế thấp hơn ở phía cực âm. Khi sự phát triển tiếp tục tăng, các nhánh cây đồng có thể xuyên qua màng, dẫn đến ISC nghiêm trọng.

Lạm dụng nhiệt

Quá nhiệt cục bộ có thể là tình huống lạm dụng nhiệt điển hình xảy ra trong các bộ pin. Lạm dụng nhiệt hiếm khi tồn tại độc lập và thường phát triển từ lạm dụng cơ học và điện, và cuối cùng là nguyên nhân trực tiếp gây ra tình trạng quá nhiệt. Ngoài tình trạng quá nhiệt do lạm dụng cơ học/điện, quá nhiệt có thể do các tiếp điểm kết nối lỏng lẻo. Vấn đề về kết nối pin lỏng lẻo đã được xác nhận. Lạm dụng nhiệt cũng là tình huống được mô phỏng phổ biến nhất, sử dụng pin sưởi ấm có kiểm soát để quan sát phản ứng của chúng trong quá trình sưởi ấm.

Ngắn mạch bên trong

Ngắn mạch bên trong, tiếp xúc trực tiếp giữa cực dương và cực âm của pin, tất nhiên, mức độ tiếp xúc cũng thay đổi rất nhiều trong các phản ứng tiếp theo được kích hoạt. ISC quy mô lớn thường do lạm dụng cơ học và nhiệt sẽ trực tiếp kích hoạt sự mất kiểm soát nhiệt. Ngược lại, ngắn mạch bên trong tự phát triển tương đối nhẹ và tạo ra rất ít nhiệt, sẽ không kích hoạt sự mất kiểm soát nhiệt ngay lập tức.

Tốc độ giải phóng năng lượng thay đổi tùy theo mức độ vỡ màng ngăn và thời gian từ khi ISC đến khi mất kiểm soát nhiệt. Người ta tin rằng ISC tự phát có nguồn gốc từ ô nhiễm hoặc khiếm khuyết trong quá trình sản xuất. Ô nhiễm/khuyết điểm mất nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tháng để phát triển thành ISC tự phát và các cơ chế liên quan đến quá trình ủ bệnh dài hạn khá phức tạp.

Bài viết giới thiệu các kết quả nghiên cứu hiện tại về hiện tượng, nguyên nhân và chiến lược ứng phó của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt. Các đặc điểm phổ biến nhất của tất cả các tình trạng lạm dụng là ngắn mạch bên trong, bao gồm lạm dụng cơ học, lạm dụng điện và lạm dụng nhiệt. Mất kiểm soát nhiệt tuân theo cơ chế phản ứng dây chuyền, trong đó các phản ứng phân hủy của vật liệu thành phần pin xảy ra liên tiếp.