Pin lithium ion có triển vọng ứng dụng lớn do mật độ năng lượng cao và khả năng tự xả thấp. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, lượng nhiệt sinh ra rất lớn và nhiệt độ bên trong pin sẽ tăng nhanh. Các tai nạn đặc trưng bởi sự mất kiểm soát nhiệt thường xảy ra, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, việc nghiên cứu về an toàn nhiệt của pin là rất cần thiết.

Các học giả trong và ngoài nước đã tiến hành một loạt các nghiên cứu về tính an toàn của pin. Bao gồm nhưng không giới hạn ở:

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thử nghiệm an toàn pin.

Đường cong đặc tính tăng nhiệt độ và điện áp làm việc của pin lithium-ion đã được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm.

Một loạt các quá trình tiến hóa của các vụ tai nạn pin điện đã được phân tích thống kê và đưa ra đề xuất rằng vấn đề cốt lõi của các vụ tai nạn pin là sự mất kiểm soát nhiệt.

Đề xuất các công nghệ phát triển rất tiên tiến cho pin điện, bao gồm chất điện phân không thể bay hơi hoặc rò rỉ, và đóng gói pin bằng vật liệu chắc chắn.

Dựa trên phân tích các vụ cháy pin điển hình trong và ngoài nước, một số phương pháp kiểm soát khả thi được đề xuất, bao gồm cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu pin, sử dụng chất điện phân an toàn và thiết kế hệ thống chữa cháy mới.

Đặc tính hoạt động của pin lithium-ion và ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ xả sạc và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất pin đã được phân tích thông qua các thí nghiệm.

Phân tích quá trình sinh nhiệt của pin, bao gồm sự phân hủy của màng SEI, chất điện phân và điện cực dương, cũng như phản ứng giữa điện cực âm và chất điện phân, điện cực âm và chất kết dính.

Việc kiểm soát nhiệt độ pin bằng phương pháp lưu trữ nhiệt vật liệu thay đổi pha đã được nghiên cứu thông qua phương pháp tính toán thực nghiệm và số.

Thông qua phân tích dữ liệu thực nghiệm, tác động của tốc độ sạc và xả, nhiệt độ môi trường và trạng thái sạc đến đặc tính nhiệt của pin đã được thảo luận. Tác động của tốc độ sạc và xả cao hơn, điều kiện môi trường thấp hơn và trạng thái sạc cao hơn đến sự gia tăng nhiệt độ của pin. Đồng thời, tỷ lệ điện trở trong ohmic và điện trở trong phân cực trong quá trình sạc và xả của pin điện lithium-ion đã được phân tích.

1 Thử nghiệm

Hệ thống thử nghiệm phản ứng gia nhiệt bằng điện của quá trình sạc và xả pin điện chủ yếu bao gồm pin, buồng nhiệt độ không đổi , thiết bị sạc và xả, cặp nhiệt điện, thiết bị thu thập dữ liệu, máy tính, v.v. Pin sử dụng pin điện lithium sắt phosphate hình vuông (130 mm x 70 mm x 22 mm), có dung lượng danh định là 20 Ah cho từng pin.

Thiết bị kiểm tra tự động được sử dụng để sạc và xả để đạt được dòng điện sạc và xả không đổi. Sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu để thu thập nhiệt độ bề mặt của pin, trong đó cặp nhiệt điện là loại K. Cặp nhiệt điện được bố trí ở giữa các điện cực dương và âm của pin, cũng như mặt trước và mặt bên của pin. Khởi động được điều khiển bằng máy tính và ghi dữ liệu đồng bộ.

Các thí nghiệm mô phỏng pin điện một cell đã được tiến hành, với việc sạc và xả dòng điện không đổi ở 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C và 1 C, để kiểm tra những thay đổi về nhiệt độ bề mặt của pin trong quá trình sạc và xả trong điều kiện tản nhiệt môi trường tự nhiên. Sạc đến 3,6 V và xả đến 2,0 V để hoàn tất thí nghiệm.

2 Kết quả và Phân tích

Biến thiên nhiệt độ và điện trở bên trong của pin theo thời gian tại các điểm đo khác nhau khi sạc ở dòng điện không đổi 1 C. Có thể thấy rằng mẫu tăng nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt pin là tương tự nhau. Nhiệt độ tăng tương đối nhẹ trước quá trình sạc trong 2500 giây, nhưng sau 2500 giây, nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên bề mặt pin tăng mạnh. Phân tích cho thấy khi kết thúc quá trình sạc, độ phân cực của pin trở nên rõ ràng và điện trở bên trong phân cực tăng lên, dẫn đến tốc độ gia nhiệt của pin tăng mạnh.

So sánh nhiệt độ ở các vị trí khác nhau, nhiệt độ pin không được hiệu chuẩn đồng đều. Khi kết thúc quá trình sạc, chênh lệch nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 10℃.

Tóm tắt định luật biến thiên tổng điện trở trong của pin theo thời gian trong quá trình sạc dòng điện không đổi 1 C. Có thể thấy tổng điện trở trong của pin không thay đổi nhiều trong quá trình sạc. Chỉ ở giai đoạn sạc muộn, độ phân cực của pin tăng mạnh, và sự gia tăng điện trở trong phân cực dẫn đến tổng điện trở tăng.

Khi kết thúc quá trình sạc pin đơn năng, nhiệt độ tăng của pin thay đổi theo dòng điện sạc. Nhiệt độ tăng tương ứng khi sạc ở 0,25 độ C, 0,5 độ C, 0,75 độ C và 1 độ C lần lượt là 11,9 độ C, 14,5 độ C, 28,5 độ C và 38,6 độ C. Có thể thấy rằng tốc độ sạc càng cao thì công suất làm nóng của pin càng lớn. Trong điều kiện truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, nhiệt độ tăng trên bề mặt pin càng lớn.

Quá trình xả pin đơn cell ở dòng điện không đổi 1 C: nhiệt độ thay đổi tại các điểm khác nhau trên bề mặt pin theo thời gian. Có thể thấy rằng mô hình tăng nhiệt độ ở các vị trí khác nhau là tương tự nhau: trong quá trình xả rơle, nhiệt độ tăng khoảng 25,2 ℃.

Khi kết thúc quá trình xả của một pin đơn năng, nhiệt độ tăng của pin thay đổi theo dòng điện sạc. Nhiệt độ tăng tương ứng khi sạc ở 0,25 độ C, 0,5 độ C, 0,75 độ C và 1 độ C lần lượt là 7,4 độ C, 15,8 độ C, 23,8 độ C và 25,2 độ C. Có thể thấy rằng tốc độ xả càng cao, nhiệt độ tăng trên bề mặt pin càng lớn.

3 Kết luận

Tiến hành quá trình sạc và xả trên một ắc quy đơn 20 Ah và đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt ắc quy, một loạt các mẫu đã thu được. Quá trình sạc dòng điện không đổi của một ắc quy đơn năng dẫn đến nhiệt độ ắc quy tăng đột ngột vào cuối chu kỳ sạc. Phân bố nhiệt độ của từng ắc quy không đồng đều, nhiệt độ của điện cực dương và âm của ắc quy cao hơn các khu vực khác.