1. Giới thiệu cơ bản

Quá trình nghiên cứu và ứng dụng pin điện cho xe điện đã trải qua quá trình phát triển từ pin axit chì, pin niken hydro đến pin lithium, trong khi pin lithium cũng đã phát triển từ lithium kim loại đến hợp chất lithium và đến pin lithium-ion hiện nay.

Pin lithium ion cho xe điện chủ yếu bao gồm pin lithium sắt phosphate, pin lithium coban phosphate và pin lithium manganate, có đặc điểm là mật độ năng lượng tương đối cao. Trong số đó, pin lithium sắt phosphate được sử dụng rộng rãi trong xe điện thuần túy trong nước do tính an toàn tương đối tốt.

Về mặt cấu trúc, pin điện lithium-ion chủ yếu bao gồm các cell pin, cụm pin hoặc hệ thống pin. Do sự hiện diện tích cực của các ion lithium trên bề mặt kim loại trong pin lithium-ion, có thể có các vấn đề về an toàn và ổn định trong quá trình phát triển, sử dụng và thử nghiệm pin lithium-ion, cần phải ngăn ngừa và loại bỏ.

2.Mô tả mức độ an toàn

Bất kể mẫu là cell pin, cụm pin hay hệ thống pin, bất kể yếu tố kích hoạt nào, cháy hoặc nổ sẽ xảy ra trong quá trình lắp đặt cell pin trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc lắp đặt xe. IEC62660 cung cấp mô tả chuẩn về kết quả thử nghiệm cell pin lithium-ion cho xe điện chạy trên đường và đóng vai trò là thuật ngữ tiêu biểu cho kết luận thử nghiệm.

(1) Không có kết quả

Không có sự thay đổi nào về ngoại hình.

(2) Biến dạng

Sự thay đổi hoặc biến dạng về ngoại hình, bao gồm cả sự phồng lên. Áp suất bên trong của pin là do áp suất khí tăng lên do phản ứng và thoát khí bên trong pin. Biến dạng có thể được phát hiện thông qua kích thước ngoại hình. Áp suất không khí quá mức sẽ làm vỡ vỏ và gây nổ. Vì lý do an toàn, pin lithium-ion được thiết kế với van xả chống nổ một chiều.

(3) Tràn đầy

Chất điện phân tràn ra từ lỗ thông hơi, van xả hoặc van an toàn chống nổ và có sương mù.

(4) Rò rỉ

Chất điện giải tràn ra từ các mối nối kết cấu như vỏ, phớt và/hoặc các đầu cuối bên ngoài cổng thông gió.

(5) Khói

Khói được thải ra từ lỗ thông hơi, thường là chất điện phân bay hơi.

(6) Vỡ

Do các lý do bên trong hoặc bên ngoài, hộp chứa pin bị hư hỏng về mặt cơ học, dẫn đến việc tiếp xúc hoặc tràn vật liệu bên trong, nhưng không có vật liệu nào bị phun ra, kể cả khói.

7) Lửa

Các cell pin phát ra ngọn lửa hoặc có dấu hiệu cháy.

8) Vụ nổ

Hộp chứa pin đã bị vỡ và các thành phần chính đã bị mở ra một cách thô bạo.

3.Nguyên nhân gây nguy hiểm

Các cell pin của pin lithium-ion là thành phần chính gây ra hiện tượng đánh lửa và nổ trong quá trình sử dụng và thử nghiệm, và lý do gây ra mối nguy hiểm của chúng có thể được tóm tắt như sau:

3.1 Ngắn mạch

1) Chập mạch bên ngoài

Đoản mạch giữa các cực của ắc quy, chủ yếu do lỗi hoặc hư hỏng ở cấu trúc bên ngoài, thường do lý do cơ học hoặc vật lý. Các phòng thí nghiệm thường sử dụng điện thử nghiệm đoản mạch ở mức mΩ (IEC62660: 5 mΩ. UL1642 và UN38.3: 100 mΩ)

Tiến hành thử nghiệm đoản mạch ngoài có thời gian để kiểm tra điện trở. Một số thí nghiệm thậm chí không giới hạn thời gian và cường độ phản ứng của chúng trong phòng thí nghiệm có thể tưởng tượng được.

2) Chập mạch bên trong

Ngoại trừ hiện tượng đoản mạch vật lý giữa các đầu điện cực (các mảnh) trong thân pin. Pin lithium ion cũng có thể bị ảnh hưởng bởi bộ tách polymer

Đứt gãy gây ra hiện tượng đoản mạch. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, hiện tượng đoản mạch bên trong thường xảy ra trong các thử nghiệm quá tải, thử nghiệm môi trường và thử nghiệm vòng đời khác nhau.

Độ dày màng ngăn chính được sử dụng trong pin lithium-ion điện thường là trên 30μm. Mặc dù cao hơn pin lithium-ion thông thường 16-20μm lần. Màng ngăn của m dày hơn nhiều, nhưng dù sao thì nó cũng rất mỏng.

Màng loa rất dễ vỡ. Sau khi bị tác động cơ học như lực cơ học bên ngoài và biến dạng nhiệt làm hỏng, sẽ trực tiếp dẫn đến đoản mạch bên trong. Ngoài ra, quá nhiệt cũng có thể gây hư hỏng màng loa, gây ra đoản mạch bên trong.

Ngoài ra, các khiếm khuyết trong nguyên liệu thô của màng ngăn có thể gây ra hư hỏng nhỏ cho màng ngăn trong quá trình sản xuất. Tất cả những lý do này đều có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ cục bộ trong pin lithium-ion điện trong điều kiện ngắn mạch nhỏ. Hơn nữa, các mạch ngắn nhỏ này sẽ dần dần mở rộng trong quá trình sử dụng hoặc tải thử nghiệm, hình thành các mạch ngắn bên trong có ảnh hưởng.

3.2 Nhiệt độ tăng

Nhiệt độ tăng của pin được định nghĩa là sự chênh lệch giữa nhiệt độ bên trong pin và nhiệt độ môi trường. Các yếu tố an toàn nêu trên đi kèm với quá trình tăng nhiệt độ. Do đó, bộ tách pin lithium-ion dùng cho xe điện chạy trên đường phải có hiệu suất vật lý là “bảo vệ tự động tắt máy” để cải thiện hiệu suất an toàn khi sử dụng xe điện.

3.3 Thiệt hại cơ học trực tiếp

Trong quá trình thử nghiệm môi trường cơ học và thử nghiệm hoạt động bất thường ( lạm dụng ), có thể trực tiếp gây hư hỏng cho cell pin hoặc gây suy giảm hiệu suất sau khi làm hỏng cấu trúc bên trong của cell pin. Cháy hoặc nổ trực tiếp trong thử nghiệm sốc cơ học cũng được ghi nhận. Sau khi thử nghiệm rung, cấu trúc bên trong của cell pin bị hư hỏng và cũng có khả năng xảy ra nguy cơ đánh lửa hoặc nổ chậm.

3.4 Nhiệt độ và độ ẩm môi trường

Kiểm tra môi trường nhiệt độ và kiểm tra môi trường độ ẩm chắc chắn sẽ làm xấu đi các điều kiện của thử nghiệm tải. Do tiến hành thử nghiệm trong buồng thử nghiệm, các vấn đề an toàn và thảm họa thứ cấp đã trở thành những yếu tố quan trọng cần phải ngăn ngừa.

4. Kiểm tra các điểm chính

1) Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cháy nổ là hai tình huống cần được bảo vệ cẩn thận. Một vài kết quả đầu tiên có thể gây ô nhiễm hoặc gây hại thứ cấp, và không nhất thiết dẫn đến thiệt hại trực tiếp mang tính phá hoại, nhưng chúng cũng nên được ghi lại bằng hình ảnh và văn bản càng nhiều càng tốt.

2) Quá tải phát sinh trong nhiều thí nghiệm khác nhau là một trong những lý do chính gây ra các vấn đề về an toàn trong phòng thí nghiệm. Pin mẫu phát sinh nhiệt do nhiều lý do quá tải khác nhau, dẫn đến màng ngăn tan chảy, gây ra hiện tượng đoản mạch, bốc hơi chất điện phân và phát nổ.

Rõ ràng, nhiệt độ và tốc độ tăng nhiệt độ trong thời gian này là các yếu tố có thể đo lường được. Việc đo các yếu tố nhiệt độ sẽ được lặp lại trong tất cả các giai đoạn của thí nghiệm. Miễn là việc lấy mẫu, đo lường, ghi chép và so sánh nhiệt độ thích hợp được sắp xếp trong các nút thí nghiệm, thì mức độ suy giảm của các mẫu có thể được phát hiện và đánh giá sớm, và các biện pháp phòng ngừa có thể được thực hiện theo đó. Đối với công việc bất thường (thử nghiệm nhiệt độ lạm dụng), cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa thích hợp.

3) Kiểm tra môi trường thử nghiệm cơ học. Va đập và rung động cơ học là tác động của điều kiện môi trường lái xe lên mẫu pin trong quá trình tải mô phỏng và sử dụng thực tế, mức độ nghiêm trọng của thử nghiệm không cao.

Ngay cả khi tác động an toàn là do thử nghiệm trực tiếp, phản ứng thường nhẹ hoặc chậm. Tuy nhiên, các thử nghiệm cơ học không hoạt động bình thường (lạm dụng) có thể có phản ứng nghiêm trọng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường phòng thí nghiệm.

Sau khi mẫu đã trải qua thử nghiệm cơ học, việc lấy mẫu nhiệt độ, đo lường và kiểm tra cũng phải được sắp xếp liên tục để dự đoán và ngăn ngừa sự xuất hiện của các điều kiện bất lợi, nhằm ứng phó với các phản ứng chậm trễ tiềm ẩn.

4) Ngoài ra còn có các thử nghiệm với phản ứng nhiệt độ nghiêm trọng và thử nghiệm ngắn mạch với hoạt động bất thường (lạm dụng).

5) Khi nhiệt độ của mẫu pin tăng đột ngột, cần lưu ý rằng mọi bộ điều khiển bên ngoài của hệ thống/bộ pin đều đã hỏng tại thời điểm này.