1. Giới thiệu

Là nguồn điện được ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị di động, pin lithium-ion có những ưu điểm như mật độ năng lượng cao, không có hiệu ứng nhớ, tuổi thọ dài, thân thiện với môi trường, v.v. Sau khi pin lithium-ion nhỏ chiếm ưu thế trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, pin lithium-ion lớn được phát triển, tiến vào ứng dụng ô tô và lưới điện.

Việc ứng dụng pin lithium-ion gây ra các vụ cháy nổ, nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học pin đã nghiên cứu và phân tích lý do pin hỏng trong nhiều điều kiện khác nhau theo quan điểm hóa học. Theo các nghiên cứu như vậy, các thành phần pin liên tục được cải tiến: nhiều vật liệu anot và catot khác nhau được phát triển để cải thiện độ ổn định hóa học; một bộ tách nhiều lớp được thiết kế để hạn chế sự mất kiểm soát nhiệt; các chất phụ gia thích hợp được đưa vào chất điện phân để ngăn chặn các phản ứng hóa học hoặc để xả pin nhằm giảm thiểu rủi ro quá tải mà không ảnh hưởng đến quá trình sạc bình thường, v.v. Các kỹ thuật sản xuất và lắp ráp cũng được cải tiến để giảm khả năng xảy ra lỗi. Tuy nhiên, các thành phần chi tiết của pin và chất lượng lắp ráp pin, ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của pin, vẫn chưa rõ ràng đối với các kỹ sư điện vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng pin. Do đó, các nguyên lý của pin lithium-ion cần được trình bày, sau đó có thể có được góc nhìn cơ bản về các rủi ro do pin lithium-ion gây ra và lý do của các rủi ro đó. Góc nhìn này sẽ cung cấp cho các kỹ sư vận hành BESS những cách thích hợp để đảm bảo an toàn được quản lý tốt.

2. Thử nghiệm tình trạng lạm dụng của Pin Lithium ion

Trên thực tế, sự cố của cell pin lithiumion là một quá trình toàn diện, có thể bắt đầu bằng bất kỳ phản ứng tỏa nhiệt nào được đề cập ở trên trong khi kết thúc bằng các mối nguy hiểm khác nhau như giãn nở thân pin, rò rỉ chất điện phân, thoát khí, cháy, nổ, v.v. Để ước tính mức độ an toàn của pin lithium ion thương mại, các hạng mục kiểm tra lạm dụng về mặt cơ học, điện và nhiệt được thiết kế theo các tiêu chuẩn từ UL và IEC. Đối với pin lithiumion BESS được sử dụng trong ứng dụng lưới điện, các loại pin lớn có thiết kế dạng túi hoặc dạng lăng trụ được ưu tiên. Trong bài báo này, các cell pin lithium-ion của hai loại đó đã được thử nghiệm. Tất cả các cell đều được sạc đầy trước khi thử nghiệm lạm dụng theo các tiêu chuẩn.

2.1 Lạm dụng nhiệt

Các cell khách quan được nung nóng trong buồng nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường của buồng được đặt ở mức 130 ℃ với tốc độ tăng dần là 5 ℃/phút. Sau khi nhiệt độ môi trường trong buồng đạt 130 ℃, nhiệt độ được giữ trong 10 phút và sau đó các mẫu được quan sát. Dưới nhiệt độ này, các rủi ro tiềm ẩn do lỗi SEI, sự tan chảy của bộ tách và áp suất khí tăng từ chất điện phân. Sau khi thử nghiệm, không quan sát thấy rò rỉ, thoát khí và sụt áp của các cell pin được thử nghiệm.

Do đó, không có sự mất kiểm soát nhiệt của các tế bào được thử nghiệm. Có thể quan sát thấy từ Hình 2 rằng sự giãn nở thân tế bào của cả tế bào loại lăng trụ và tế bào loại túi đều xảy ra. Sự giãn nở thân tế bào có thể là do chất điện phân bay hơi. Tốc độ giãn nở thân tế bào trong thử nghiệm phụ thuộc vào lượng dung môi có điểm sôi thấp trong chất điện phân. Và lượng chính xác và tỷ lệ không rõ ràng đối với người dùng. Tuy nhiên, theo quan sát, có thể kết luận rằng mẫu loại túi được hiển thị trong Hình 2 (c) có hiệu suất tốt hơn mẫu trong Hình 2 (b), điều này cho thấy mức độ an toàn cao hơn. Mẫu loại lăng trụ trong Hình 2 (a) cho thấy hiệu suất tốt do có khả năng chịu nhiệt cao do độ dày.

2.2 Sự đâm xuyên

Một chiếc đinh ∅5 mm được đâm xuyên vào mẫu với tốc độ 20 mm/giây. Sau đó, nó được rút ra sau 1 phút. Trong điều kiện thử nghiệm này, có thể xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong do tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu dương và âm. Nhiệt do đoản mạch bên trong mang lại có thể dẫn đến phản ứng phân hủy các thành phần của pin.

Trong quá trình thử nghiệm, hiện tượng phun chất điện phân và thoát khí nghiêm trọng đã được quan sát thấy đối với tất cả các cell loại lăng trụ. Điện áp đo được và nhiệt độ bề mặt của một cell được thể hiện trong Hình 3(a). Các đường cong cho thấy sự xuất hiện của hiện tượng đoản mạch bên trong gây ra sự giải phóng năng lượng được lưu trữ và làm giảm điện áp của cell. Hơn nữa, nhiệt độ tăng lên đến 130 8 ℃ do năng lượng được giải phóng. Nhiệt độ bề mặt sau đó giảm xuống phạm vi tương đối an toàn, điều này có nghĩa là các phản ứng dây chuyền tỏa nhiệt đã không xảy ra và hiện tượng mất kiểm soát nhiệt đã được tránh sau khi thử nghiệm.

Đối với các cell loại túi, không phát hiện thấy nhiệt độ tăng, chất điện phân phun hoặc khí thoát ra trong quá trình thử nghiệm, ngoại trừ một trong năm mẫu. Trong Hình 3 (b), điện áp đo được và nhiệt độ bề mặt của cell có vấn đề được biểu diễn. Một phần năng lượng được lưu trữ đã được giải phóng thông qua mạch ngắn bên trong. Và mạch ngắn bên trong đã được chấm dứt bởi khí thoát ra từ chất điện phân, làm cạn kiệt thân cell và tạo thành lớp cách ly giữa vật liệu dương và âm và lớp ngăn cách trong khu vực bị xuyên thủng.

Sự đoản mạch bên trong không hoàn chỉnh này chỉ dẫn đến điện áp cell giảm nhẹ và nhiệt độ đỉnh là 90,5 ℃. Khi nhiệt độ bề mặt cell giảm xuống, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt không xảy ra sau khi thử nghiệm. Bảo vệ thông gió của cell loại lăng trụ được kích hoạt do áp suất bên trong cao, như thể hiện trong Hình 4(a). Đối với cell loại túi, có thể quan sát thấy sự giãn nở của thân, như thể hiện trong Hình 4(b). Nhìn chung, cell loại túi cho thấy mức độ an toàn cao hơn so với cell loại lăng trụ.

2.3 Sạc quá mức

Các mẫu được sạc quá mức với dòng điện 0,05 C. Khi điện áp của cell đạt 5 V hoặc thời gian sạc đạt 30 phút, thử nghiệm sẽ kết thúc. 1 C được định nghĩa là tốc độ dòng điện mà cell pin được xả hoàn toàn trong 1 giờ, nghĩa là 1 C bằng 40 A đối với pin có dung lượng 40 Ah.

Đối với tất cả các mẫu đã thử nghiệm, không có rò rỉ clectrolyte, khí thoát ra hoặc các mối nguy hiểm khác được quan sát thấy. Có thể quan sát được độ giãn nở của thân mẫu sau khi thử nghiệm. Theo điện áp cell đo được, nhiệt độ môi trường xung quanh và bề mặt cell được thể hiện trong Hình 5, có thể kết luận rằng hiện tượng mất kiểm soát nhiệt không xảy ra.

2.4 Ngắn mạch ngoài

Một contactor mạch được kết nối giữa các điện cực mẫu và điện trở ngắn mạch được đặt ở mức 5 mΩ. Trong các thử nghiệm ban đầu của thử nghiệm, các đám cháy đã được phát hiện trên cáp hoặc contactor, như thể hiện trong Hình 6. Do đó. Các cáp và contactor có dòng điện 1 500 A đã được chọn trong thử nghiệm sau đó để tránh cháy trong mạch thử nghiệm.

Sự giãn nở của thân pin, rò rỉ chất điện phân và thoát khí đã được phát hiện trong quá trình thử nghiệm tất cả các mẫu loại lăng trụ cũng như một số mẫu loại túi. Sau khi tiếp điểm mạch thử nghiệm được đóng lại, nhiệt độ bề mặt pin tăng lên khoảng 100°C. Khi nhiệt độ tăng cao, thân pin giãn nở (như thể hiện trong Hình 7, khu vực A) với khí thoát ra từ chất điện phân (như thể hiện trong Hình 7, khu vực B) và chất điện phân rò rỉ (như thể hiện trong Hình 7, khu vực C). Cuối cùng, một sự thoát khí dữ dội với chất điện phân (như thể hiện trong Hình 7, khu vực D) đã xảy ra. Theo phần giới thiệu trước đó về chất điện phân, khí thoát ra và chất điện phân có thể bắt lửa. Sau khoảng 10 phút, nhiệt độ bề mặt pin bắt đầu giảm. Không có cháy hoặc nổ trong và sau quá trình thử nghiệm. Do đó, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt đã không xảy ra.

Bên cạnh đó, bộ thu dòng điện của điện cực dương bị nóng chảy ngay lập tức, chấm dứt tình trạng đoản mạch bên ngoài. Hiện tượng này được quan sát thấy ở hầu hết các mẫu loại túi và một mẫu loại lăng trụ. Hình 8 cho thấy quá trình nóng chảy của các mẫu loại lăng trụ dữ dội hơn so với các mẫu loại túi. Tia lửa kim loại trong Hình 8 bắn ra từ bộ thu dòng điện dương. Những tia lửa kim loại đó có thể đốt cháy khí thoát ra hoặc chất điện phân bị rò rỉ và sau đó gây ra hỏa hoạn.