An toàn lưu trữ và vận chuyển pin Li-ion

Tính an toàn của pin lithium-ion là không có rò rỉ, cháy, nổ và các hiện tượng khác trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau, đảm bảo rằng nghiên cứu khoa học, sản xuất và nhân viên sử dụng không bị thương ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt. Pin được sản xuất sẽ trải qua quá trình lưu trữ, vận chuyển và vận chuyển đến nhà ga. Cho dù sử dụng vận tải hàng không, vận tải biển, đường sắt hay đường bộ, đều có các tuyến liên kết hợp nhất hậu cần và vận chuyển container.

Lấy vận tải biển làm ví dụ, nếu một yếu tố bất ngờ kích hoạt quá trình cháy do nhiệt của pin trong cabin trong quá trình vận chuyển, theo kết quả nghiên cứu, nồng độ carbon monoxide (CO) giải phóng trong quá trình đốt cháy pin lithium đóng gói mềm 10Ah trong hệ thống oxit mangan lithium thương mại và hệ thống vật liệu ba thành phần vượt quá 12800ppm. CO ở nồng độ này có thể gây tử vong nhanh chóng ở người lớn trong vòng 1-3 phút.

Vì vậy, ngay cả khi không xét đến các chất độc hại và có hại khác được giải phóng trong quá trình mất kiểm soát nhiệt trong các hệ thống hỗn hợp phức tạp và năng lượng cao như pin lithium, thì riêng CO đã gây ra tác hại đáng kể. Đối với các không gian cục bộ khác, chẳng hạn như ô tô, tàu thủy, tàu ngầm, tàu vũ trụ và trong các bãi đỗ xe không gian, cũng có vấn đề tương tự về mất kiểm soát nhiệt điện lithium gây ra thảm họa. Đối với các không gian mở, chẳng hạn như các trạm lưu trữ năng lượng lithium-ion, bãi đỗ xe ngoài trời và trạm sạc, có những mối nguy hiểm tiềm ẩn gây ô nhiễm môi trường.

Do nhiều vụ tai nạn an toàn trong quá trình vận chuyển pin lithium, các tổ chức quốc tế như Liên hợp quốc, Hiệp hội Hàng không Quốc tế và các cơ quan trong nước có liên quan như Cục Hàng không Dân dụng Trung Quốc yêu cầu việc vận chuyển pin lithium phải trải qua các thử nghiệm UN38.3 và các thử nghiệm khác theo yêu cầu của IATADGR.

Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ đã phân loại pin lithium là vật liệu nguy hiểm, bao gồm khả năng bắt lửa, độc tính rò rỉ, ăn mòn, phản ứng và các chất độc hại và có hại khác. Đây là loại pin có nhiều chất độc hại nhất trong số tất cả các loại pin và không được vận chuyển một cách tùy tiện. Cần có hộp và phương pháp đóng gói đặc biệt, và tất cả các nhãn phải được hoàn thành trước khi vận chuyển. Ngoài ra, có nhiều hạn chế khác nhau đối với vận chuyển hàng không và pin lithium phải đạt chứng nhận UN38.3. Underwriters Laboratories (UL), một công ty thử nghiệm và chứng nhận an toàn của Hoa Kỳ, có kế hoạch giới thiệu một loạt các thông số kỹ thuật mới cho pin xe điện. UL Laboratories hy vọng sẽ thiết lập một bộ thông số kỹ thuật cho pin xe điện và chính phủ sẽ yêu cầu các nhà sản xuất pin công nhận chứng nhận của UL Laboratories.

Pin Lithium bị mất nhiệt

Trong toàn bộ vòng đời của pin lithium, ngay cả khi cấu trúc pin được thiết kế tốt và đáng tin cậy trong quá trình lưu trữ và vận chuyển, vẫn cần phải thiết lập cơ sở dữ liệu độc hại cho quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin để ứng phó với các tình huống khẩn cấp như hỏa hoạn, nổ và rò rỉ chất độc. Hướng dẫn kỹ thuật, tiêu chuẩn vận hành, biên soạn kỹ thuật, sổ tay hướng dẫn và các tài liệu khác liên quan đến pin lithium luôn trong quá trình sửa đổi cạnh tranh trên toàn cầu, kiểm soát nền kinh tế pin trên toàn thế giới.

Hiện tại vẫn chưa rõ liệu Hoa Kỳ, Nhật Bản và Hàn Quốc có cơ sở dữ liệu chi tiết về độc tính thứ cấp do hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium và các tiêu chuẩn quy định tương ứng hay không, nhưng Viện Bảo vệ Hóa chất đã dần cải thiện cơ sở dữ liệu về các sản phẩm đốt cháy mất kiểm soát nhiệt điện lithium. Ngoài CO và axit flohydric (HF) có sẵn công khai, còn có hơn 100 loài có trọng lượng phân tử trên 45 trong cơ sở dữ liệu, bao gồm các chất có đặc tính độc hại hoặc gây độc.

Trong thử nghiệm an toàn thường quy, thử nghiệm lạm dụng trong điều kiện máy móc mô phỏng ( rơi , va đập , đóng đinh, đè bẹp , rung, tăng tốc), nhiệt (đánh lửa, tắm cát, bếp điện, sốc nhiệt, tắm dầu, làm nóng bằng vi sóng), điện (sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch bên ngoài, xả cưỡng bức) và môi trường (giảm áp, ngâm, độ cao, kháng khuẩn) là bước quan trọng của thử nghiệm an toàn chung. Các bước và phương pháp này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để thử nghiệm độc tính thứ cấp của quá trình đốt cháy mất kiểm soát do nhiệt trong pin lithium.

Kết quả nghiên cứu về quá trình cháy mất kiểm soát do đánh lửa của pin lithium cho thấy các chất độc hại được giải phóng trong quá trình cháy mất kiểm soát do đánh lửa của pin lithium phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống vật liệu pin, dung lượng pin và trạng thái sạc; Về độc tính, trạng thái sạc 100% là trạng thái nguy hiểm nhất và trạng thái sạc càng nhỏ thì càng an toàn. Mức độ nghiêm trọng của các thử nghiệm cháy mất kiểm soát do đánh lửa trên pin được chế tạo từ các hệ vật liệu khác nhau thay đổi đáng kể, với hệ thống oxit mangan lithium (LMB)>hệ thống tam phân (NMC)>hệ thống oxit lithium coban (LCB)>hệ thống phosphate lithium sắt (LPB), cho thấy pin LPB thể hiện độ an toàn cao trước tình trạng cháy mất kiểm soát do đánh lửa.

Đối với pin lithium có bốn hệ vật liệu, số lượng các loài có thể xác định được trong các sản phẩm cháy có liên quan chặt chẽ đến trạng thái sạc của pin lithium và tuân theo thứ tự sau: số lượng các loài trong các sản phẩm cháy mất kiểm soát nhiệt tăng theo trạng thái sạc tăng từ 0% đến 100%, nhưng giảm khi trạng thái sạc tăng đến 150% (trạng thái quá tải). Tại sao số lượng các loài sản phẩm cháy lại giảm đối với cả bốn loại pin khi sạc quá mức? Lý do là khi pin bị sạc quá mức, các ion lithium trong muối lithium sẽ kết tủa kim loại lithium và lắng đọng trên bề mặt catốt. Đồng thời, chất điện phân solvat hóa cũng sẽ dần bị khử, phân hủy và tiêu thụ. Khi quá tải đạt 150%, chỉ còn lại một số lượng tương đối nhỏ các loài trong pin để tham gia vào phản ứng đốt cháy tiếp theo, vì vậy số lượng các loài trong các sản phẩm cháy hữu cơ thực tế giảm. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng một số loài trong các sản phẩm cháy mất kiểm soát nhiệt là mới được tạo ra và có độc.

Các sản phẩm hữu cơ này được giải phóng trong quá trình đốt cháy mất kiểm soát nhiệt có tác động kích ứng mạnh đối với da, mắt và đường hô hấp của con người và gây hại cho môi trường. Nếu các chất độc hại này được giải phóng vào không gian kín nhỏ như ô tô hoặc máy bay, chúng sẽ gây hại nghiêm trọng cho con người trong thời gian ngắn. Các sản phẩm cháy của pin LCB có các loài độc hại nhất, trong khi pin LPB có ít nhất. Trạng thái sạc của pin ảnh hưởng mạnh đến độc tính của các sản phẩm cháy. Vì vậy, xét về góc độ độc tính, trạng thái sạc 100% là trạng thái nguy hiểm nhất. Nói một cách đơn giản, nếu pin mới sạc bị đánh lửa và mất kiểm soát, nó sẽ giải phóng nhiều chất độc hại và có hại hơn. Kết quả thử nghiệm trên cũng chỉ ra rằng khi pin trải qua quá trình đốt cháy mất kiểm soát nhiệt, các phản ứng dây chuyền khác nhau xảy ra trong các hệ thống khác nhau, điều này có liên quan chặt chẽ đến hóa học trạng thái sạc của hệ thống vật liệu pin.

Công trình nghiên cứu trên đã thu được dữ liệu về các sản phẩm độc hại do quá trình cháy do nhiệt của pin lithium gây ra, từ đó cung cấp hướng dẫn cần thiết cho việc thiết kế vật liệu mới cho pin lithium, cảnh báo sớm các vụ cháy và độc tố do quá trình cháy do nhiệt của pin lithium gây ra, đồng thời cải thiện tính an toàn của pin lithium.