Pin lithium ion có ưu điểm là năng lượng cao, điện áp cao, tuổi thọ dài và khả năng tự phóng điện thấp. Nó đã trở thành một trong những nguồn cung cấp năng lượng chính cho các sản phẩm điện tử cầm tay như thông tin di động, máy tính xách tay và dụng cụ điện.
Tuy nhiên, nếu sử dụng sai (như đốt nóng, quá sạc, ngắn mạch, rung, đùn, v.v.), pin lithium-ion có thể cháy, nổ. Do đó, vấn đề an toàn của pin lithium ion được đặt lên hàng đầu.
Hiện nay, nhiều quốc gia hoặc tổ chức thử nghiệm đang nghiên cứu các công nghệ an toàn pin lithium mới và xây dựng nhiều tiêu chuẩn tốt hơn.
Ví dụ: các tiêu chuẩn thử nghiệm áp dụng cho pin lithium dùng cho thiết bị di động là: IEC62133, UL1642, JIS C8714, IFEE1625, UN38.3, v.v.
Bài viết này chủ yếu phân tích và so sánh sự khác biệt giữa phiên bản 2002 và phiên bản 2012 của tiêu chuẩn IEC 62133 cho pin lithium-ion dành cho thiết bị di động từ các khía cạnh hạng mục thử nghiệm, đối tượng, thông số thử nghiệm, v.v.
1. Các hạng mục thử nghiệm
Bản 2012 có một số điều chỉnh so với bản 2002:
- Xóa các hạng mục thử nghiệm liên quan đến chức năng bảo vệ của pin khi rung, sốc cơ học, chu kỳ nhiệt độ, áp suất không khí thấp và sạc nhanh.
- Thêm hai hạng mục mới: thử nghiệm vận chuyển và thử nghiệm ngắn mạch trong cưỡng bức.
Thử nghiệm vận chuyển trong IEC62281 bao gồm các hạng mục thử nghiệm áp suất không khí thấp, chu kỳ nhiệt độ, độ rung, va đập, ngắn mạch ngoài, va đập và đùn.
Mặc dù tên thử nghiệm giống nhau nhưng thử nghiệm thực tế lại khá khác nhau. Ví dụ: các yêu cầu của nội dung thử nghiệm ngắn mạch ngoài về giá trị điện trở đường dây, cùng một mẫu cần hoàn thành thử nghiệm liên tục trong quá trình thử nghiệm vận chuyển và quy trình ép sạc khác nhau,.
- Đối với đối tượng thử nghiệm, các hạng mục thử nghiệm chu kỳ rung, sốc và nhiệt độ trong tiêu chuẩn IEC62,133:2002 có thể áp dụng để thử nghiệm tế bào điện và bộ pin; Tuy nhiên, thử nghiệm vận chuyển trong tiêu chuẩn 2012 chỉ tập trung vào thử nghiệm lõi điện, trong đó cũng nhấn mạnh đến việc đánh giá độ an toàn của lõi điện trong quá trình vận chuyển.
- Đối với thử nghiệm quá sạc, tiêu chuẩn mới chỉ tập trung vào độ an toàn.
2. Sự khác biệt giữa các phiên bản
2.1. So sánh cùng hạng mục thử nghiệm
Ngoài quy trình sạc tương tự như phiên bản 2002, tức là sạc ở nhiệt độ môi trường (20 ± 5) ℃ theo phương pháp do nhà sản xuất công bố. Phiên bản 2012 cũng quy định các quy trình sạc mới đối với các trường hợp lạm dụng có thể dự đoán trước một cách hợp lý (ngắn mạch ngoài của pin và bộ pin), lạm dụng nhiệt, ép đùn và thử nghiệm ngắn mạch cưỡng bức trong, tức là quá trình xử lý trước khi sạc (hiện đang được sử dụng cho pin lithium) được tiến hành tại nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên là 45℃ và nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới là 10℃ với điện áp sạc giới hạn trên là 4,25V/cell và dòng sạc tối đa do nhà sản xuất quy định.
Nếu điện áp sạc giới hạn trên mới và nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới được thông qua, một số thử nghiệm nhất định phải được thực hiện để đáp ứng các tiêu chuẩn chấp nhận của các thử nghiệm liên quan và đảm bảo an toàn cho pin. Nội dung thử nghiệm cụ thể: dựa trên độ ổn định cấu trúc của vật liệu dương, độ ổn định cấu trúc của chất điện phân và các đặc tính vật liệu khác, cần đảm bảo an toàn cho pin đã sạc dưới nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên mới và thêm 5C vào giới hạn trên mới nhiệt độ thử nghiệm để áp dụng các điều kiện sạc trong 8.1.2 của IEC62133:2012 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm; Dựa trên khả năng hấp thụ ion lithium của vật liệu điện cực âm và độ linh động ion lithium của chất điện phân (tương ứng với nhiệt độ), cần đảm bảo an toàn cho pin đã sạc ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới và thêm - 5℃ đến nhiệt độ thử nghiệm giới hạn dưới mới để áp dụng các điều kiện sạc của 8.1.2 và đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm tương ứng.
(1) Quá Sạc
Thử nghiệm quá sạc nhằm mô phỏng các nguy cơ an toàn tiềm ẩn của pin khi phát hiện sai điện áp của bộ sạc, bộ sạc bị hỏng hoặc sử dụng sai bộ sạc. Nói chung, thử nghiệm này là một hạng mục thử nghiệm khó vượt qua và các yêu cầu về điện áp sạc 10V quá nghiêm ngặt. Trên thực tế, hầu hết các loại pin đều được trang bị bảng bảo vệ PCB và mạch bảo vệ giới hạn điện áp, có thể ngăn chặn hiệu quả tình trạng sạc quá mức của pin. Trong tiêu chuẩn năm 2012, thử nghiệm quá sạc pin bị loại bỏ, còn thử nghiệm cho bộ pin được thiết kế. Nghĩa là, bộ pin đã xả hết phải được sạc với dòng điện không đổi 2,0l (IA=C Ah/1h) và điện áp không được vượt quá điện áp sạc tối đa được khuyến nghị hoặc 5,0V/cell, đủ để duy trì dòng điện không đổi.
(2) Ngắn mạch ngoài
Thử nghiệm ngắn mạch ngoài theo tiêu chuẩn IEC62133:2002 bao gồm ngắn mạch ở hai nhiệt độ (20 ± 5) ℃ và (55 ± 5) ℃. Điện trở của mạch ngoài không được vượt quá 100 m Ω. Pin đơn hoặc bộ pin phải được thử nghiệm trong 24 giờ hoặc cho đến khi nhiệt độ vỏ giảm 20% so với nhiệt độ tối đa, tùy theo thời gian nào ngắn hơn. Tuy nhiên, tiêu chuẩn năm 2012 đã có những thay đổi lớn: thứ nhất, pin hoặc bộ pin áp dụng quy trình sạc mới; Thứ hai, giá trị điện trở của mạch ngoài phải cụ thể hơn, cụ thể là (80 ± 20) m Ω; Cuối cùng, tách riêng nhiệt độ môi trường để thử nghiệm pin, nghĩa là thử nghiệm pin được tiến hành ở (20 ± 5) ℃, trong khi thử nghiệm pin được tiến hành ở (55 ± 5) ℃. Có thể thấy, việc thay đổi chế độ sạc pin đã nâng cao mức độ thử nghiệm an toàn pin lithium. Đồng thời, giới hạn giá trị điện trở cũng nghiêm ngặt hơn đối với thiết bị thử nghiệm.
(3) Lạm dụng nhiệt
Lạm dụng nhiệt đề cập đến việc mô phỏng việc sử dụng pin không đúng cách dưới nhiệt độ cao, chẳng hạn như đặt điện thoại di động trong ô tô phơi nắng hoặc đặt điện thoại di động hoặc sản phẩm điện tử trong lò vi sóng. Nguồn nhiệt bên ngoài tác động trực tiếp lên pin lithium, gây ra các phản ứng hóa học phức tạp bên trong, chẳng hạn như sự phân hủy màng SEI, phản ứng oxi hóa khử giữa chất điện phân và vật liệu điện cực dương và âm, tiếp tục phát triển thành sự thoát nhiệt. Ngoài ra, màng loa nóng chảy và co lại ở nhiệt độ cao dẫn đến chập mạch các cực dương và cực âm rất dễ gây cháy nổ. Trong tiêu chuẩn IEC62133: 2012, chỉ có những thay đổi nhỏ được thực hiện đối với thử nghiệm lạm dụng nhiệt, tức là các lõi điện nhỏ được giữ ở 130℃ trong 10 phút và các lõi điện lớn được giữ ở 130℃ trong 30 phút. Điều này là do mật độ năng lượng ngày càng tăng và dung lượng cao của pin lithium ion đơn.
(4) Ép
Thử nghiệm ép theo tiêu chuẩn IEC62133:2012: chọn phương pháp gây ra kết quả bất lợi nhất khi tác dụng lực (13 ± 1) kN. Khi đạt áp suất tối đa hoặc điện áp giảm đột ngột bằng 1/3 so với ban đầu điện áp, hoặc xảy ra biến dạng 10%, áp suất sẽ được giải phóng. Đối với pin hình vuông, chỉ thực hiện thử nghiệm cạnh rộng thay vì thử nghiệm cạnh hẹp. So với tiêu chuẩn năm 2002, chỉ có những thay đổi nhỏ, đó là pin sử dụng quy trình sạc mới. Thử nghiệm nén mô phỏng ngắn mạch cục bộ bên trong. Phương pháp sạc mới có thể làm giảm tỷ lệ đạt tiêu chuẩn của bài thử nghiệm an toàn pin lithium.
2.2. Thêm hạng mục thử nghiệm
(1) Ngắn mạch cưỡng bức trong
Thử nghiệm ngắn mạch cưỡng bức bên trong cố gắng mô phỏng hiện tượng ngắn mạch bên trong do các hạt kim loại như vậy xuyên qua màng ngăn gây ra. Các thử nghiệm trong tiêu chuẩn IEC62133:2012 thử nghiệm ngắn mạch trong từ hai vị trí: hoạt chất dương. Giữa các hoạt chất tiêu cực; Lá nhôm tích cực – vật liệu hoạt động tiêu cực. Khi thử nghiệm, tế bào pin đã sạc đầy trước tiên bị phân hủy trong môi trường có điểm sương thấp hơn -25℃, sau đó các tấm niken nhỏ được đặt tương ứng ở hai vị trí phía trên, cuộn lại vào pin và đặt trong hộp kín. túi polyetylen.
Pin được đặt ở nhiệt độ thử nghiệm trên (thấp hơn) cộng (trừ) 5℃ trong (45 ± 15) phút, sau đó ở nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới tương ứng, một công cụ áp suất tiêu chuẩn được sử dụng để tạo áp suất ở tốc độ 0,1mm/s đến vị trí tấm niken, Cho đến khi quan sát thấy hiện tượng ngắn mạch trong gây sụt áp 50 mV hoặc áp suất đạt yêu cầu (800 N đối với pin tròn và 400 N đối với pin vuông), áp suất sẽ là thả ra sau 30 giây. Yêu cầu pin sẽ không cháy hoặc nổ trong trường hợp ngắn mạch trong. Nội dung của bài thử nghiệm này giống như nội dung trong tiêu chuẩn JIS 8714.
Ngoài ra, tiêu chuẩn còn quy định bài thử nghiệm này chỉ áp dụng ở Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sĩ. Mặc dù thử nghiệm ngắn mạch trong cưỡng bức có thể làm giảm đáng kể các yếu tố không an toàn do lỗi trong quá trình sản xuất gây ra, nhưng vẫn còn tranh cãi liệu nó có thể mô phỏng thực sự và hiệu quả hiện tượng ngắn mạch trong của pin thông thường hay không. Đồng thời, thao tác nghiêm ngặt cần thiết cho việc tháo và lắp lại pin cũng là một thách thức.
(2) Thử nghiệm vận chuyển
So với tiêu chuẩn IEC62133:2002, tiêu chuẩn năm 2012 đã loại bỏ một số hạng mục thử nghiệm như áp suất không khí thấp, chu kỳ nhiệt độ, độ rung và va đập nhưng bổ sung thêm thử nghiệm vận chuyển.
Có thể thấy từ phân tích so sánh sự khác biệt rằng ngoại trừ T6, dành cho một mẫu duy nhất, T1-T5 dành cho cùng một mẫu được thử nghiệm lần lượt. Bài thử nghiệm trước có thể có tác động tiêu cực đến bài thử nghiệm tiếp theo, dẫn đến việc không vượt qua bài thử nghiệm. Ngoài ra, cũng có sự khác biệt trong phương pháp thử nghiệm của họ. Điều kiện chu kỳ nhiệt độ và rung động nghiêm ngặt hơn về nhiệt độ, thời gian và gia tốc, dễ dẫn đến rò rỉ chất lỏng, gãy bên trong và các hiện tượng khác của pin lithium. Nói một cách dễ hiểu, tiêu chuẩn IEC62133:2012 nâng cao đáng kể các yêu cầu thử nghiệm độ an toàn của pin lithium.
3. Một số buồng thử nghiệm đáp ứng tiêu chuẩn IEC 62133
Qua phân tích hai phiên bản, người ta thấy rằng phiên bản 2012 cụ thể và chi tiết hơn trong việc đánh giá an toàn pin lithium-ion. Nó cũng quy định các phương pháp thử nghiệm an toàn của pin lithium-ion được sử dụng trong thiết bị điện tử cầm tay trong điều kiện sử dụng bình thường, điều kiện sử dụng sai có thể thấy trước và điều kiện lỗi có thể đoán trước, đảm bảo an toàn cho pin lithium trong quá trình bảo quản, sử dụng, vận chuyển, v.v.
