Pin lithium ion đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, thiết bị khoa học, phương tiện vận chuyển không gian và hệ thống vệ tinh do điện áp pin và năng lượng riêng cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, tuổi thọ lưu trữ dài, không gây ô nhiễm môi trường và không có hiệu ứng bộ nhớ. Tuy nhiên, nếu pin lithium-ion gặp phải hiện tượng đoản mạch bên trong, đoản mạch bên ngoài, sạc quá mức hoặc được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao, nhiệt Joule và nhiệt phản ứng bên trong pin sẽ tăng mạnh, dẫn đến các sự kiện nguy hiểm thảm khốc như nổ, hỏa hoạn và mất kiểm soát nhiệt.

Để kiểm tra hiệu suất an toàn của pin lithium-ion, các tổ chức có liên quan như Writers Laboratories Japan Battery Association (JBA) và Chinese National Standards (GB) đã liên tiếp phát triển các tiêu chuẩn kiểm tra an toàn pin lithium-ion. Các hạng mục kiểm tra an toàn thường dùng hiện nay bao gồm bốn khía cạnh: hiệu suất nhiệt, hiệu suất cơ học, hiệu suất điện và các hạng mục kiểm tra khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt.

Thử nghiệm đâm xuyên được sử dụng để đánh giá tình trạng đoản mạch bên trong pin lithium-ion do lắng đọng lithium, lỗi sản xuất hoặc các lý do khác, hoặc tình trạng vật thể giống như kim đâm thủng pin lithium-ion.

Hiện nay, có những vấn đề về cơ chế không rõ ràng và khả năng lặp lại kém trong các tai nạn an toàn do đinh đâm xuyên. Cải thiện thiết kế pin là một hướng quan trọng để nâng cao tính an toàn của pin lithium-ion thông qua việc nghiên cứu và phân tích cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự mất kiểm soát nhiệt trong quá trình đinh đâm xuyên pin. Bài viết này sẽ phân tích và tóm tắt tình hình ngắn mạch bên trong trong điều kiện đinh đâm xuyên, giới thiệu các phương pháp nghiên cứu hiện có về thí nghiệm đinh đâm xuyên, phân tích các ưu điểm tương ứng của chúng và cuối cùng đề xuất các phương pháp để cải thiện mô hình đinh đâm xuyên cho bước tiếp theo là thiết lập mô hình đinh đâm xuyên pin lithium-ion chính xác làm tài liệu tham khảo.

1 Thử nghiệm an toàn đâm xuyên pin lithium ion

Thử nghiệm đâm đinh đối với pin lithium-ion được tiến hành bằng cách sử dụng kim thép chịu nhiệt độ cao φ 5~ φ 8 mm (với góc đầu kim là 60 ° và bề mặt nhẵn không có rỉ sét, lớp oxit và vết dầu) nên được đưa vào với tốc độ (25 ± 5) mm/giây theo hướng vuông góc với tấm điện cực của pin và vị trí đâm đinh phải gần với tâm hình học của bề mặt đâm đinh (kim thép nằm trong pin). Cần kích hoạt và quan sát hiện tượng đoản mạch bên trong pin một cách nhân tạo trong một khoảng thời gian. Thử nghiệm đâm đinh được thể hiện trong Hình 1. Nếu pin không bắt lửa, không bốc khói hoặc không phát nổ, pin sẽ vượt qua thử nghiệm đâm đinh. Nếu không, pin sẽ không vượt qua. Thí nghiệm đâm đinh chủ yếu nghiên cứu tác động của tốc độ đâm đinh, vị trí đâm đinh, trạng thái sạc, dung lượng pin, v.v. đối với sự an toàn của pin.

Trong quá trình đâm đinh vào pin lithium-ion, hiện tượng đoản mạch bên trong có thể xảy ra trong bốn tình huống khác nhau

(1) Hiện tượng đoản mạch bên trong xảy ra giữa các cực thu dòng điện dương và âm (lá nhôm và lá đồng)

(2) Xảy ra giữa lá nhôm và điện cực âm

(3) Xảy ra giữa điện cực dương và điện cực âm

(4) Nó xảy ra giữa lá đồng và cổng điện cực dương.

Mặt khác, trong quá trình đâm đinh vào pin lithium-ion, thường xảy ra nhiều loại ngắn mạch bên trong, và tình trạng ngắn mạch bên trong cũng sẽ phát triển theo thời gian. Đây là lý do cơ bản khiến cơ chế ngắn mạch bên trong không rõ ràng và khả năng lặp lại kém trong quá trình thử nghiệm đâm đinh vào pin lithium-ion.

Theo hiểu biết hiện tại, quá trình cơ bản của quá trình ngắn mạch bên trong do pin lithium-ion gây ra trong quá trình đâm đinh như sau: Đầu tiên, nhiệt Joule do ngắn mạch bên trong tạo ra khiến nhiệt độ cục bộ của pin tăng nhanh. Sau khi nhiệt độ đạt đến một giá trị nhất định, nó sẽ gây ra sự phân hủy của màng SEI (80-120 ℃) ​​và sự tan chảy của màng (165 ℃). Sự phân hủy của màng SEI và sự tan chảy của màng tạo ra nhiều nhiệt hơn, thúc đẩy quá trình phân hủy chất điện phân (130-300 ℃) và phản ứng khử điện cực âm (100-400 ℃), trong khi phản ứng oxy hóa điện cực dương (160-400 ℃) cuối cùng dẫn đến quá trình gia nhiệt không kiểm soát.

Các thông số cần được kiểm tra trong thử nghiệm an toàn đâm xuyên của đinh bao gồm

(1) Nhiệt độ thay đổi ở các vị trí khác nhau của pin lithium-ion trong quá trình đâm đinh

(2) Thay đổi điện áp trong pin lithium-ion trong quá trình đâm đinh

(3) Tốc độ tự gia nhiệt, nhiệt độ thoát nhiệt ban đầu, mức độ phản ứng và hệ số Arrhenius của pin lithium-ion trong quá trình xuyên thủng.

Các thông số này được sử dụng để phân tích các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình đâm đinh vào pin lithium-ion, cũng như sự xuất hiện của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt. Hiện nay, các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước đã phân tích quá trình này và tác động của nó đến an toàn pin từ nhiều góc độ khác nhau thông qua các thí nghiệm đâm đinh.

2 Kết quả thử nghiệm thực tế

Tiến hành thử nghiệm đâm kim vào pin lithium-ion 18650 có dung lượng 22 Ah và thấy rằng khi tốc độ đâm kim tăng lên, khả năng pin lithium-ion vượt qua thử nghiệm an toàn cũng tăng lên. Sau khi nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ kim đến độ an toàn của pin lithium-ion tại Trung Quốc, người ta tin rằng tốc độ kim có tác động tương đối nhỏ đến độ an toàn của kim của pin hình trụ; Và nó có tác động đáng kể đến độ an toàn của pin nguồn mềm. Cụ thể, tốc độ đâm kim càng cao thì khả năng pin bị mất kiểm soát nhiệt càng lớn. Một số người tin rằng khi tốc độ đâm kim chậm hơn, thì lượng nhiệt cục bộ tỏa ra của pin càng cao.

Có thể thấy từ đây rằng kết luận của ba công trình trên không nhất quán. Có nhiều lý do có thể gây ra tình trạng này. Thứ nhất, cấu trúc cuộn dây và xếp chồng khác nhau, với loại pin cuộn dây có tiếp xúc chặt chẽ hơn giữa các lớp. Thứ hai, khi tốc độ đâm đinh thấp, một mặt, khả năng mở rộng của màng ngăn bảo vệ pin và ngăn ngừa xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong. Một mặt, sau khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong, thời gian dòng điện cao cục bộ tăng lên. Ngoài ra, độ dày khác nhau của lá đồng, lá nhôm, điện cực dương và âm và bộ tách cũng có thể dẫn đến kết quả thử nghiệm khác nhau ở các tốc độ đâm kim khác nhau.

Tiến hành thử nghiệm đâm kim trên pin lithium-ion đã sạc đầy bằng kim thép hình khối có kích thước 40 mm x 1,5 mm x 1,5 mm từ các vị trí khác nhau của pin. Họ phát hiện ra rằng vị trí ở giữa mép xanh của pin, cách xa hướng tai cực, gây ra sự gia tăng nhiệt độ lớn nhất và có độ an toàn kém nhất. Họ tin rằng lý do chính cho hiện tượng này là độ dẫn nhiệt kém của bộ tách cạnh pin, hạn chế khả năng tản nhiệt của pin lithium-ion.

Tiến hành thử nghiệm đâm đinh vào pin lithium-ion 18650 có dung lượng danh định là 22 Ah ở các trạng thái sạc khác nhau (SOC). Người ta thấy rằng khi SOC giảm, khả năng pin lithium-ion vượt qua các thử nghiệm an toàn sẽ tăng lên. Điều này là do trạng thái sạc càng cao thì điện áp ban đầu của pin càng cao. Điều này làm tăng thêm dòng điện ngắn mạch bên trong và kéo dài thời gian ngắn mạch. Do đó, tính an toàn của thử nghiệm đâm đinh vào pin lithium-ion trở nên kém hơn.

Tiến hành phân tích độ xuyên đinh trên pin lithium-ion 604-1104 m Ah được sạc đầy và phát hiện ra rằng dung lượng pin càng cao thì độ an toàn khi thử nghiệm độ xuyên đinh đối với pin lithium-ion càng kém.

Ngoài ra, tiến hành phân tích thử nghiệm đâm xuyên đinh trên pin lithium-ion polymer sử dụng bộ tách gốm. Họ thu thập nhiệt độ của nhiều loại pin có SOC khác nhau ở khu vực đâm xuyên đinh và bề mặt pin, sự thay đổi điện áp của pin và trạng thái gờ của pin lithium-ion sau khi đinh đâm xuyên. Họ phân tích cơ chế đâm xuyên đinh dựa trên điều này. Người ta tin rằng quá trình đâm kim xuyên qua pin khiến gờ nhôm và gờ đồng kết nối với nhau, tạo thành một mạch ngắn bên trong giữa lá nhôm và lá đồng.

Nhiệt độ của vùng ngắn mạch cục bộ tăng lên khi sinh ra nhiệt Joule. Nếu nhiệt độ đạt đến nhiệt độ nóng chảy của nhôm, gờ nhôm sẽ nóng chảy và cháy, gây ra một cầu dao điện với gờ đồng. Chúng có thể được tóm tắt thành ba mô hình: Mô hình A, trong đó gờ nhôm nóng chảy và gờ đồng không còn tiếp xúc nữa. Gờ nhôm trong Mô hình B không nóng chảy và tạo thành một mạch ngắn bên trong tiếp xúc với gờ đồng. Gờ nhôm trong Mô hình C không nóng chảy hoàn toàn và sau một thời gian, chúng lại tiếp xúc với gờ đồng, tạo thành một mạch ngắn bên trong. Họ tin rằng việc thay đổi quá trình cháy và nóng chảy của gờ nhôm là một hướng đi mới cho thiết kế an toàn pin.

Trong thí nghiệm đâm đinh, không chỉ ghi lại nhiệt độ gần kim pin, nhiệt độ điện cực và điện áp pin mà còn ghi lại những thay đổi về áp suất trên bề mặt pin và tìm thấy sự tương ứng rõ ràng giữa đỉnh áp suất trên bề mặt pin và đỉnh nhiệt độ trên pin.

Họ tin rằng ngoài điện áp và nhiệt độ của pin, độ an toàn của pin cũng có thể được mô tả bằng cách tăng các đại lượng đo lường khác như áp suất. Trong thí nghiệm trên, mọi người có thể phân tích độ xuyên thủng của đinh vào pin lithium-ion một cách thực tế hơn thông qua các phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, loại ngắn mạch xảy ra bên trong pin trong quá trình thử nghiệm độ xuyên thủng của đinh chỉ là suy đoán và không có cơ sở lý thuyết tốt. Mô hình độ xuyên thủng của đinh vào pin lithium-ion là một phương pháp khác để phân tích cơ chế xuyên thủng của đinh vào pin lithium-ion và cải thiện hiệu suất an toàn của chúng.

3 Kết luận

Bài viết này tóm tắt phân tích thực nghiệm về quá trình đâm kim trong pin lithium-ion. Trong số đó, mô hình hóa và mô phỏng quá trình đâm đinh pin là một công cụ quan trọng để nghiên cứu cơ chế đâm đinh pin, cải thiện thiết kế cấu trúc pin và nâng cao hiệu suất an toàn của pin. Hiện tại, phương pháp thực nghiệm không thể chỉ ra rõ ràng vấn đề an toàn của việc đâm đinh pin. Tuy nhiên, các mô hình đâm đinh hiện có không đủ để mô tả chính xác quá trình đâm đinh và hiện tượng đoản mạch bên trong do pin lithium-ion gây ra. Do đó, việc cải thiện và hoàn thiện hơn nữa mô hình đâm đinh của pin lithium-ion là một phương tiện quan trọng để tăng cường phân tích an toàn của hiện tượng đoản mạch bên trong pin.