Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thiết bị di động, lưu trữ năng lượng và xe năng lượng mới với ưu điểm là tuổi thọ chu kỳ cao hơn năng lượng, nhưng so với các loại pin khác, vấn đề chính cần giải quyết là tính an toàn của chúng. Pin lithium-ion gây ra các vấn đề về an toàn chủ yếu thông qua quá trình sinh nhiệt và cuối cùng là cách thể hiện sự mất kiểm soát nhiệt và lý do hình thành sự mất kiểm soát nhiệt chủ yếu là do đoản mạch, lỗi kết nối, nung ở nhiệt độ cao, ngâm trong nước, v.v., trong đó đoản mạch là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra sự mất kiểm soát nhiệt Đoản mạch được chia thành đoản mạch ngoài và đoản mạch trong, đoản mạch ngoài có thể được kiểm soát thông qua việc bảo vệ các thành phần phụ trợ và tối ưu hóa chiến lược trong khi đoản mạch trong khó kiểm soát hiệu quả. Trong bài báo này, nghiên cứu có hệ thống về phương pháp mô phỏng nguyên lý đoản mạch trong và các biện pháp phát hiện phòng ngừa sẽ hiểu sâu hơn về phương pháp kiểm soát các vấn đề về an toàn của pin và cung cấp tài liệu tham khảo cho ứng dụng rộng rãi hơn của pin lithium-ion.

Phương pháp thử nghiệm mô phỏng ngắn mạch

Thử nghiệm đâm đinh , đùn , rơi , va đập mạnh và các thử nghiệm khác là các phương pháp thử nghiệm ngắn mạch mô phỏng phổ biến hơn trong tiêu chuẩn, chẳng hạn như QC/T743-2006, SAND2005-3123, UL2580-2011, SAE2464 và các tiêu chuẩn khác.

Để mô phỏng tốt hơn hiệu ứng ngắn mạch , các phương pháp thử nghiệm khác nhau được giới hạn có điều kiện trong tiêu chuẩn. Các thử nghiệm châm cứu chỉ định tốc độ châm kim (QC/T743-2006 yêu cầu 10~40mm/giây, các tiêu chuẩn khác yêu cầu 80mm/giây) đường kính kim (thường là 3~8 mm); Thí nghiệm đùn chỉ định lượng biến dạng của áp suất đùn (100 kN hoặc 1000 lần khối lượng của mẫu) (thường là 50% biến dạng) và hình dạng của đĩa đùn (tấm đùn 30 mm có bán kính 75 mm); Thử nghiệm thả rơi chỉ định các điều kiện về chiều cao thả (1 đến 2 m) và bề mặt tiếp xúc (mặt đất nằm ngang cứng hoặc không phẳng) tại thời điểm rơi.

Phương pháp thử nghiệm ngắn mạch mô phỏng cũng bao gồm thí nghiệm gia nhiệt quá tải không giới hạn điện trở tương đương song song. Quá tải không giới hạn là sạc pin thử nghiệm đã sạc đầy bằng dòng điện không đổi cho đến khi điện áp giảm xuống 0V hoặc tạo ra vụ nổ cháy nhỏ: thí nghiệm gia nhiệt là làm nóng mẫu thử nghiệm, nhiệt độ gia nhiệt được xác định bởi điện trở nhiệt của màng ngăn và sự co lại của màng ngăn sau khi gia nhiệt gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong: Điện trở tương đương song song chủ yếu nhắm vào monome song song và một trong các monome được chuyển mạch bằng điện trở tương đương để mô phỏng hiện tượng đoản mạch bên trong.

Ưu điểm của phương pháp trên là đơn giản và dễ thực hiện, trong khi nhược điểm là chỉ phản ánh hiện tượng rõ ràng sau khi xảy ra ngắn mạch bên trong, còn sự tích tụ năng lượng nhiệt đã phát sinh trước khi xảy ra ngắn mạch bên trong mà không hạn chế quá tải không thể xác định rõ ràng đối với nhiệt giải phóng sau khi xảy ra ngắn mạch. Ngoài ra, cũng có một sự không chắc chắn nhất định về phần nào của cell mà ngắn mạch bên trong do phương pháp trên 14 gây ra có một số hạn chế nhất định đối với phân tích cơ chế.

Cưỡng bức ngắn mạch bên trong chủ yếu là thêm các bộ phận nhúng kim loại và lỗ thủng màng ngăn bên trong pin và sau đó kết hợp hình thức đùn bên ngoài để đạt được ngắn mạch bên trong ở các bộ phận khác nhau của pin. Ngoài ra, trung tâm ngắn mạch được đánh giá bằng cách thêm kim loại hoặc hợp kim có điểm nóng chảy thấp vào điện cực bằng cách nung nóng và làm nóng chảy nó bằng cách theo dõi nhiệt độ điện áp, âm thanh, ánh sáng và các cách khác (6. Các phương pháp này có thể phản ánh tốt hơn tác động của ngắn mạch ở các bộ phận khác nhau trên pin Có lợi cho phân tích cơ chế Nhược điểm là pin cần được cách ly với không khí trong quá trình tháo dỡ và lắp ráp, đồng thời cũng có các yêu cầu nghiêm ngặt về độ ẩm, độ sạch và mức độ đóng gói.

Biện pháp phòng ngừa ngắn mạch bên trong và phương pháp phát hiện

1. Biện pháp phòng ngừa ngắn mạch bên trong

(1) Vật liệu pin, cải tiến quy trình
Chủ yếu là phòng ngừa bằng cách chuyển sang sử dụng vật liệu màng ngăn và sử dụng phụ gia điện phân để ngăn ngừa tạp chất lẫn vào trong quy trình sản xuất pin và thử nghiệm độ tin cậy của quy trình sản xuất.

Nguy cơ đoản mạch có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng màng ngăn gốm. Nếu không thể tránh khỏi hiện tượng đoản mạch, dòng điện đoản mạch cũng có thể được giảm bằng cách phủ một lớp vật liệu PTC lên vật liệu điện cực, để tăng điện trở của lớp PTC khi xảy ra hiện tượng đoản mạch, do đó ngăn chặn sự phát sinh nhiệt độ mất kiểm soát. Ngoài ra, vì chất điện phân hiện đang sử dụng dựa trên hệ thống alkyl cacbonat dễ bay hơi và cháy trong pin, việc sử dụng không đúng cách sự tích tụ nhiệt sẽ gây ra cháy hoặc nổ bằng cách thiết kế chất điện phân như chất điện phân chống cháy hoặc sử dụng chất điện phân dạng lỏng ion hoặc thêm vật liệu oligomer maleimide sẽ làm giảm đáng kể các rủi ro an toàn do đoản mạch gây ra.

Tối ưu hóa và cải thiện quy trình loại bỏ tạp chất sản xuất cell pin để loại bỏ bụi kim loại sắt, một mặt, để ngăn ngừa các phản ứng phụ không thể đảo ngược với chất điện phân trong quá trình sạc và xả, mặt khác, sự hiện diện của các hạt tạp chất làm tăng thêm nguy cơ thủng màng ngăn và gây ra đoản mạch bên trong. Tia X cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự căn chỉnh của các tấm bên trong pin, do đó tránh được nguy cơ đoản mạch tiềm ẩn.

(2) Sử dụng pin
Ngăn ngừa quá trình giải phóng lithium khi sạc ở nhiệt độ thấp. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, độ dẫn ion và hệ số khuếch tán của pin lithium-ion giảm đáng kể, dễ dẫn đến giải phóng lithium trong quá trình sạc, do đó, khi sử dụng ở nhiệt độ thấp, pin phải được làm nóng trước đến nhiệt độ sạc thích hợp, để tránh pin tạo ra các nhánh cây lithium rồi đâm thủng màng ngăn khi sạc ở nhiệt độ thấp.

Thiết kế dự phòng tốc độ sạc-xả của pin. Thiết kế dự phòng cho phép pin luôn hoạt động ở trạng thái tải thấp, có thể bảo vệ pin hiệu quả và giảm đáng kể nguy cơ đoản mạch bên trong khi tải cao.

Tăng cường thiết kế độ dẫn nhiệt của pin hoặc ngăn chặn khả năng sinh nhiệt vì hiện tượng đoản mạch bên trong pin sẽ ngay lập tức tạo ra một lượng nhiệt lớn. Nếu nhiệt tích tụ, nó sẽ dẫn đến sự phân hủy chất điện phân, phản ứng oxy hóa/khử giữa chất điện phân và bề mặt dương/âm của điện cực dương và âm, và sự co lại và phân hủy của màng ngăn, dẫn đến sự thoát nhiệt.

2. Một phương tiện phát hiện ngắn mạch bên trong pin

Phát hiện nhiệt: xác định xem có xảy ra hiện tượng đoản mạch hay không bằng cách gắn một cặp nhiệt điện vào thành bên của pin để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ. Vì nhiệt được dẫn từ trong ra ngoài khi xảy ra hiện tượng đoản mạch, nhiệt độ cho thấy có độ trễ nhất định, do đó tình trạng đoản mạch không thể được phản hồi ngay lập tức.

Phát hiện bất thường điện áp theo dõi tình trạng ngắn mạch bên trong của pin bằng cách theo dõi sự sụt giảm điện áp trong quá trình sạc liên tục bằng dòng điện nhỏ, ví dụ, khi sạc pin 80Ah bằng dòng điện không đổi 3A, nếu sự sụt giảm điện áp vượt quá 100mV, có thể xác định rằng pin bị ngắn mạch bên trong.

Phát hiện bất thường về dung lượng: Có bằng sáng chế liên quan đến phương pháp phát hiện ngắn mạch bên trong: trong quá trình sạc, bằng cách so sánh dung lượng sạc với dung lượng tham chiếu trong phạm vi điện áp hiện tại, vì khi xảy ra ngắn mạch bên trong, một phần năng lượng điện sẽ được chuyển đổi thành tiêu tán năng lượng nhiệt, do đó dung lượng sạc trong quá trình sạc sẽ cao hơn so với khi không xảy ra ngắn mạch bên trong, vì vậy khi dung lượng sạc cao hơn dung lượng tham chiếu, lỗi ngắn mạch bên trong được báo cáo. Khi dung lượng sạc thấp hơn hoặc bằng dung lượng tham chiếu, trạng thái pin là bình thường.

Bản tóm tắt

Pin lithium-ion bị đoản mạch bên trong rất dễ gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, do đó, từ cơ chế nắm bắt nguyên nhân hình thành, thông qua mô phỏng để nghiên cứu sâu hơn, để thông qua nhiều biện pháp khác nhau để ngăn ngừa và phát hiện hiện tượng đoản mạch bên trong pin lithium-ion, để đảm bảo an toàn cho pin lithium-ion trong quá trình sử dụng.