Kể từ khi pin lithium-ion được ứng dụng thương mại, công nghệ pin đã không ngừng phát triển và được sử dụng rộng rãi trong xe điện, lưu trữ năng lượng, thông tin điện tử và các lĩnh vực khác, thúc đẩy đáng kể sự phát triển của xã hội loài người. Tuy nhiên, cùng lúc đó, nhiều dạng cháy nổ khác nhau đã xảy ra, điều này làm dấy lên mối lo ngại về sự an toàn khi sử dụng pin lithium. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm nguy cơ cháy nổ của pin lithium-ion.
Thông qua thử nghiệm đốt cháy lan truyền các trạm sạc, độ ổn định nhiệt của các loại pin lithium-ion khác nhau được so sánh và phân tích. Người ta nhận thấy rằng độ ổn định nhiệt của vật liệu lithium bậc ba thấp hơn so với lithium iron phosphate và lithium mangan oxit, và nhiệt độ đốt cháy của chúng có khả năng đạt đến giá trị tối đa trong một khoảng thời gian ngắn. Ngoài ra, nguy cơ nổ nhiệt của pin lithium-ion có liên quan chặt chẽ đến trạng thái sạc (SOC) và thường tăng khi SOC tăng.
Quá trình bảo quản, vận chuyển và sử dụng pin có thể khiến pin tiếp xúc với môi trường nóng, gây nguy cơ lạm dụng nhiệt. Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tới hạn tương đương đối với sự thoát nhiệt của pin là 123,8 - 139,2℃. Trong điều kiện quá nóng, các hoạt chất bên trong pin được tăng cường, dễ dàng gây ra phản ứng tỏa nhiệt hóa học giữa các vật liệu pin, dẫn đến hiện tượng nóng lên nhanh chóng bên trong vượt quá giá trị tới hạn và gây ra sự thoát nhiệt và đánh lửa của pin. Để mô phỏng môi trường quá nóng, gia nhiệt bên ngoài là phương pháp thử nghiệm thường được sử dụng.
Bài viết này sử dụng lò đốt nóng để mô phỏng quá trình lạm dụng nhiệt của các pin liền kề sau khi pack pin lithium 18650 thoát nhiệt, phân tích đặc tính cháy và hành vi cháy của pack pin ở các vị trí gia nhiệt và điều kiện năng lượng sưởi khác nhau, đồng thời cung cấp hướng dẫn để sử dụng an toàn pack pin và phát triển công nghệ chữa cháy hiệu quả.
1. Chuẩn bị thử nghiệm
1.1. Loại pin
- - Loại pin: pack pin lithium-ion bậc ba (dài x rộng x cao là 240mm x 220mm x 85mm, nặng 7 kg).
- - Điện áp: 48 V
- - Công suất định mức: 30 Ah.
- - Pack bao gồm 156 (12 x 13) pin 18650 tiêu chuẩn, mỗi pin có chiều cao 65 mm và đường kính tối đa 18,4 mm.
- - Trước khi thử nghiệm, hãy tháo bao bì bên ngoài của pin vì nó được làm bằng vật liệu chống cháy và không thể đốt cháy pin thông qua hệ thống sưởi bên ngoài.
- - Các mạch bên trong và hệ thống quản lý pin vẫn không thay đổi và Trạng thái sạc (SOC) của pin là 100%.
1.2. Bố trí thử nghiệm
Toàn bộ thử nghiệm được tiến hành trong không gian hẹp (dài x rộng x cao là 12m x 2m x 2,4m). Các cửa ở cả hai phía dọc của không gian vẫn đóng trong quá trình thử nghiệm.
Một cửa sổ quan sát dài 1,2m và cao 0,6m được lắp đặt ở giữa bên và một quạt hút khói được lắp ở phía trên của bức tường đối diện để duy trì sự thông gió trong quá trình thử nghiệm. Có 11 vòi phun sương được lắp đặt trên đỉnh của không gian, với khoảng cách giữa các vòi là 1m, để tiến hành các thử nghiệm chữa cháy bằng sương và đóng vai trò là biện pháp làm mát và chữa cháy dự phòng nhằm ngăn chặn quá trình đốt cháy không kiểm soát được trong các đám cháy.
Đặt pack pin theo chiều ngang trên giá đỡ với cực dương hướng lên trên. Giá đỡ là một cấu trúc dạng lưới giúp tạo điều kiện làm nóng từ đáy pin. Hai phương pháp gia nhiệt được sử dụng trong thử nghiệm:
- (1) Lò sưởi được đặt ở dưới cùng của pack pin và bề mặt sưởi ấm của lò điện cách bề mặt đáy của pin 8cm. Nó liên tục làm nóng điện cực âm ở mặt dưới của pin;
- (2) Lò sưởi điện được đặt ở mặt bên của pin, cách nhau 8 cm và liên tục làm nóng mặt bên của pin. Bề mặt làm nóng hiệu quả của lò sưởi điện dài 12cm, rộng 12cm và có diện tích 144cm2, Công suất làm nóng có thể điều chỉnh từ 0 đến 2000W.
Quá trình sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để làm nóng pack pin và gây cháy là mở lò điện để đốt nóng liên tục cho đến khi pin bốc cháy thì tắt nguồn và ngừng đốt nóng.
Bốn cặp nhiệt bọc thép hình chữ K (T 1, T 2, T 3, T 4) được bố trí bên trong pack pin, có đường kính 1mm. Cặp nhiệt được đặt ở giữa cell pin, cách đáy 30 mm, để thu thập sự thay đổi nhiệt độ ở các vị trí khác nhau của pin. Tuy nhiên, đối với hệ thống sưởi phía dưới và hệ thống sưởi bên hông, vị trí của cặp nhiệt không giống nhau. Ngoài ra, một camera độ phân giải cao được lắp đặt ở mặt trước để ghi lại quá trình cháy lan của pack pin.
1.3. Điều kiện thử nghiệm
Có 5 bài thử nghiệm.
Phương pháp gia nhiệt cho thử nghiệm 1-3 là gia nhiệt đáy, trong khi gia nhiệt bên được sử dụng cho thử nghiệm 4 và 5, chủ yếu để nghiên cứu ảnh hưởng của các vị trí gia nhiệt khác nhau đến đặc tính lan truyền cháy của pack pin. Trên cơ sở đó, một loạt thử nghiệm chữa cháy, cụ thể là thử nghiệm 3, đã được tiến hành bằng cách sử dụng sương làm phương pháp chữa cháy. thử nghiệm 1 và 2 được lặp lại bằng phương pháp gia nhiệt đáy. Ngoài ra, thử nghiệm 3 và 5 có công suất gia nhiệt cao hơn 2 kW so với 3 nhóm còn lại, dùng để nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bên trong và đặc tính cháy của pack pin trong điều kiện tăng công suất nguồn nhiệt bên ngoài.
2. Hiện tượng cháy
Khi được làm nóng từ phía dưới, quá trình đốt cháy pin có thể chia thành sáu giai đoạn dựa trên mức độ nghiêm trọng của nó.
- (1) Giai đoạn gia nhiệt. Sau khi lò sưởi liên tục làm nóng điện cực âm của pack pin trong một thời gian, khói sẽ dần hình thành trên bề mặt pin, một số nguyên nhân xuất phát từ sự hư hỏng của điện cực dương của pin. Điều này là do nắp điện cực dương của pin có thể bị cuốn trôi bởi áp suất không khí tại địa điểm thí nghiệm hoặc trong video. Điều này cho thấy một phản ứng dữ dội đã xảy ra bên trong pin do quá trình đốt nóng liên tục, tạo ra một lượng lớn khí, sau đó là một lượng nhỏ chất điện phân thoát ra từ điện cực dương của pin, như minh họa trong (a).
- (2) Giai đoạn cháy. Trong thí nghiệm, người ta quan sát thấy pin tạo ra một lượng khói lớn trước khi đánh lửa, chứa nhiều chất dễ cháy, bao gồm cả những chất tạo ra từ phản ứng bên trong của pin, cũng như những chất tạo ra từ quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu đóng gói của pack pin. Sau khi nhiệt tích tụ đến một mức nhất định, quá trình bốc cháy sẽ xảy ra, như thể hiện trong (b).
- (3) Giai đoạn đánh lửa. Đối với điều kiện thí nghiệm làm nóng từ phía dưới, phần giữa của pin nhận nhiệt tập trung nhất, như thể hiện trong ô nét đứt màu đỏ trên Hình 4 (a). Do đó, phần giữa của pack pin bắt đầu bốc cháy trên một diện tích lớn, sau đó lan ra các khu vực xung quanh. Vật liệu bên trong pin cũng bị phun ra ngoài, như trong hình (c).
- (4) Giai đoạn phun. Sau khi bề mặt của pin bắt lửa, nhiệt độ tăng mạnh khiến các van an toàn của các cell pin lần lượt mở ra, sau đó khí dễ cháy phun ra ngoài, như hình (d), kèm theo hiện tượng bắn tung tóe. chất điện phân ở khắp mọi nơi, như thể hiện trong (e). Ở giai đoạn này, hiện tượng rõ ràng là sự cháy dữ dội và âm thanh nổ dữ dội. Các cell pin cũng bị bắn tung tóe khắp nơi dưới áp suất bên trong, điều này gây khó khăn cho việc thu thập những thay đổi nhiệt độ trong quá trình thử nghiệm. Cặp nhiệt được bố trí trước khi thử nghiệm rất dễ bị hư hỏng hoặc dịch chuyển do vụ nổ này và không thể đảm bảo việc đo lường sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian thực tại cùng một vị trí.
- (5) Giai đoạn cháy tổng thể. Khi các van an toàn của hầu hết các cell pin được mở, pack pin sẽ bước vào giai đoạn đốt tổng thể, trong đó chiều cao ngọn lửa cao hơn và thể tích ngọn lửa lớn hơn, như thể hiện trong (f).
- (6) Giai đoạn suy giảm. Sau khi các vật liệu dễ cháy bên trong pin được tiêu thụ dần, lửa sẽ tắt.
Khi pack pin được làm nóng từ bên cạnh, quá trình đốt cháy được thể hiện trong hình và toàn bộ giai đoạn đốt cháy gần giống với điều kiện làm nóng phía dưới, bao gồm đánh lửa, đánh lửa, phun nhiên liệu và các quá trình khác. Từ góc độ thời gian đánh lửa, ngoại trừ việc giảm đáng kể thời gian đánh lửa trong Thử nghiệm 2, hai phương pháp gia nhiệt trong bài viết này không có tác động đáng kể đến thời gian đánh lửa. Tuy nhiên, sau khi tăng gấp đôi công suất, chẳng hạn từ 1 kW lên 2 kW, so với Thử nghiệm 3 và Thử nghiệm 1, Thử nghiệm 5 và Thử nghiệm 4, ở cùng một vị trí gia nhiệt, việc tăng công suất sẽ rút ngắn đáng kể thời gian đánh lửa.
Như minh họa trong (a), mặt bên của pack pin được làm nóng bằng nguồn nhiệt bức xạ bên ngoài. Sau một thời gian, pack pin gần nguồn nhiệt nhất sẽ bốc cháy trước tiên như hình (b), sau đó cháy và lan từ phải sang trái.
Van an toàn của cell pin gần ngọn lửa nhiệt độ cao bị đẩy mở ra, tạo ra khói trắng như hình (c), kèm theo hiện tượng tia lửa điện bắn tung tóe, như hình (d), điều này chứng tỏ chất điện phân bên trong pin bị phun ra ngoài. Ngọn lửa trên bề mặt pack pin dần dần tắt trong quá trình lan truyền, trong khi pin không bắt lửa vẫn đang trải qua những phản ứng mãnh liệt bên trong.
Tại thời điểm này, có thể quan sát thấy một lượng lớn khói trắng, như trong hình (f), đây là loại khí được tạo ra bởi phản ứng bên trong của pin. Khi gặp nhiệt độ cao, tia lửa điện hoặc năng lượng đánh lửa tương tự, pin sẽ bắt lửa lại, như minh họa trong (g), cho đến khi ngọn lửa tắt hoàn toàn. Từ kết quả thử nghiệm, có thể thấy rằng khi mặt bên của pack pin quá nóng, Cường độ đốt cháy của pin sẽ giảm dần khi khoảng cách ngày càng tăng và việc đốt lại không liên tục sẽ xảy ra nhiều lần.
Các cell pin được liên kết nối tiếp và song song để tạo thành một pack trong quá trình sử dụng và mỗi cell pin được quản lý thông minh thông qua Hệ thống quản lý pin (BMS). Sau khi được đốt cháy bởi nguồn nhiệt bức xạ bên ngoài, pack pin sẽ trải qua quá trình cháy nổ và mãnh liệt. Một số cell pin sẽ tách ra khỏi pack pin dưới áp suất tạo ra bởi các phản ứng bên trong, bắn tung tóe khắp nơi và vật liệu màng ngăn bên trong cũng sẽ tràn ra ngoài.
Do thiết kế van an toàn điện cực dương của pin nên khi khí được tạo ra bởi các phản ứng hóa học bên trong, áp suất sẽ thoát ra ngoài qua van an toàn, từ đó làm giảm nguy cơ hư hỏng thành ngoài của pin do tác động bên trong gây ra. áp lực.
Đối với pack pin, nếu một trong các pin bị bốc cháy do nhiệt hoặc bốc cháy do yếu tố bên ngoài, các cell pin xung quanh sẽ bị truyền nhiệt từ tường hoặc cặn nhiệt độ cao phun ra sẽ cháy, hoặc Bức xạ nhiệt do ngọn lửa trần tạo ra sẽ đốt cháy các cell pin xung quanh, tiếp tục mở rộng vùng đánh lửa mà không làm lan rộng ngọn lửa ngay lập tức do nổ tường. Điều này cho thấy rằng so với mặt bên của pack pin, phần đáy (điện cực âm) của nó cần được bảo vệ chống cháy tốt hơn.
Quá trình cháy lan của pack pin trong điều kiện quá nóng trước tiên sẽ thay đổi theo nhiệt độ của pin. Bằng cách đo sự thay đổi và phân bổ nhiệt độ bên trong pack pin, có thể phân tích định lượng hành vi cháy của pack pin. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm thế nào để kiểm soát đám cháy tốt hơn và phát triển các công nghệ chữa cháy mới và hiệu quả.
3. Phân bố nhiệt độ
Sự thay đổi nhiệt độ bên trong của pack pin lithium khi được làm nóng ở phía dưới. Từ những thay đổi trong đường cong lịch sử nhiệt độ, có thể quan sát được ba giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển nhiệt của pin, điều này phù hợp với kết quả thu được từ phân tích hiện tượng đốt cháy ở phần trước.
Trong giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ tăng dần và có thể thấy nhiệt độ của T 1 tăng nhanh hơn các nhiệt độ khác. Vị trí đo của nó nằm ở khu vực trung tâm của pack pin, nơi nó nhận được nhiều nhiệt nhất. Sau khi van an toàn dương của pin được mở, khói trắng bốc lên, cho thấy bên trong pin đang xảy ra phản ứng dữ dội, tạo ra khí.
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, khí dễ cháy được tạo ra sẽ kích hoạt quá trình đánh lửa của pin. Tại thời điểm này, đường cong nhiệt độ thể hiện một bước ngoặt hướng lên rõ rệt. Tại thời điểm bốc cháy, nhiệt độ của T 1 khoảng 139oC, đồng thời nhiệt độ ở vị trí T 3 ngay lập tức tăng lên, nguyên nhân là do ngọn lửa lan rộng. So với vị trí T 2 và T 3 thì khoảng cách đoạn thẳng giữa T 4 và T 1 là xa nhất. Nếu tính dựa trên kích thước tối đa của cell pin thì khoảng cách giữa T 4 và T 1 là khoảng 99 mm, chênh lệch thời gian đánh lửa là 89 giây và tốc độ lan truyền cháy khoảng 1,1 mm/s.
Sau khi pack pin bắt lửa, nó sẽ gặp các hiện tượng như phun nước và nổ, trong thời gian đó nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng và cuối cùng bước vào giai đoạn đốt cháy tổng thể. Nhiệt độ đốt tối đa của pack pin vượt quá 700oC.
Khi mặt bên của pack pin lithium được làm nóng, vị trí đo của cặp nhiệt đã được điều chỉnh, sắp xếp từ gần đến xa so với vị trí nguồn nhiệt bức xạ và đường cong lịch sử nhiệt độ điển hình đo được trong thí nghiệm đã được điều chỉnh.
So với điều kiện làm nóng phía dưới, có một số khác biệt đáng kể trong việc phân bổ nhiệt độ khi mặt bên của pack pin được làm nóng. Mặc dù có một số nhiệt độ đạt đỉnh, điều đó có nghĩa là tại thời điểm này nó đang ở trạng thái đốt ngọn lửa hở, sự phân bố nhiệt độ đỉnh cao ở phần gia nhiệt phía dưới diễn ra trong một khoảng thời gian dài hơn. Điều này chủ yếu là do điều kiện làm nóng của pack pin khác nhau trong hai điều kiện làm việc khác nhau.
Khi đáy được làm nóng, điện cực âm của cell pin sẽ được làm nóng liên tục và hầu hết các cell pin được làm nóng trực tiếp sẽ đẩy nhanh các phản ứng hóa học trong khoảng thời gian tập trung hơn. Sau khi mất kiểm soát nhiệt, chúng sẽ bốc cháy và cuối cùng biểu hiện hiện tượng đốt cháy toàn bộ. Tuy nhiên, khi làm nóng ở bên cạnh, vị trí càng xa nguồn nhiệt, chẳng hạn như T 4, sẽ nhận ít nhiệt hơn và nhiệt độ sẽ không tăng đáng kể cho đến khi kết thúc quá trình đốt, điều này chủ yếu là do khi pack pin được làm nóng ở một bên, nó thể hiện kiểu cháy lan rộng từ phải sang trái, ở giữa sẽ có hiện tượng dập tắt và bùng cháy trở lại. Nếu không có hệ thống sưởi bên ngoài liên tục, dạng đốt này khó đạt được sự lan truyền cháy liên tục.
Ngoài ra, có thể quan sát thấy nhiệt độ đánh lửa ở T 1 trong quá trình đánh lửa là khoảng 90oC, thấp hơn so với khi làm nóng điện cực âm phía dưới và nhiệt độ cao nhất sau khi đánh lửa cũng vào khoảng 550oC, thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ đánh lửa ở T 1. khi đáy nóng lên. Kết quả phân tích nhiệt độ trên chỉ ra rằng so với đốt nóng bên, điện cực âm ở dưới cùng của pack pin bị đốt cháy nghiêm trọng hơn do thoát nhiệt khi đun nóng, biểu hiện cụ thể là diện tích lan truyền cháy lớn hơn và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn.
Những thay đổi về nhiệt độ ở điều kiện làm việc 3, so với điều kiện làm việc 1, đều là do gia nhiệt ở đáy, điểm khác biệt là công suất gia nhiệt đã tăng lên 2 kW. Đồng thời, trong quá trình cháy, phun sương để dập tắt đám cháy và kiểm tra khả năng dập lửa và làm mát của nó. Có thể nhận thấy rằng khi công suất đốt tăng lên thì thời gian đánh lửa cũng tăng lên. Lý do là hiển nhiên. Nhiệt lượng bên ngoài nhận được càng cao thì phản ứng hóa học bên trong pin sẽ càng mãnh liệt và sự thoát nhiệt sẽ dẫn đến thời gian đánh lửa ngắn hơn.
Tuy nhiên, trong quá trình đánh lửa, không có sự khác biệt đáng kể về nhiệt độ giữa T 1 và điều kiện vận hành công suất thấp hơn mà nằm trong khoảng từ 120 đến 139oC. Ngoài ra, nhiệt độ tại các vị trí T 2, T 3 và T 4 trong điều kiện vận hành 3 thấp hơn nhiệt độ ở mức công suất gia nhiệt là 1 kW. Điều này có thể cho thấy rằng dưới tác động của nhiệt bức xạ bên ngoài, pack pin sẽ chỉ bốc cháy và cháy khi nhiệt độ tăng đến một phạm vi cụ thể.
Cần chỉ ra rằng nhiệt độ đánh lửa liệt kê trong Bảng 2 có thể không phải là nhiệt độ đánh lửa tối thiểu đạt được do các điểm thu gom bị hạn chế. Tuy nhiên, ở một mức độ nào đó, điều này có thể chứng minh sự cần thiết của việc theo dõi sự thay đổi mức tăng nhiệt độ theo thời gian thực đối với từng cell pin thông qua hệ thống quản lý pin. Bằng cách đặt ngưỡng nhiệt độ, khi mức tăng nhiệt độ cục bộ của pack pin vượt quá giá trị này, các biện pháp cảnh báo và phòng ngừa sẽ được thực hiện để ngăn toàn bộ pack pin bắt lửa do thoát nhiệt.
Toàn bộ thời gian cháy là 218 s kể từ khi bắt đầu cháy ở thời điểm t=780 s đến khi bắt đầu xuất hiện sương mù ở thời điểm t=998 s. Sau khi bật phun sương để dập tắt đám cháy, nhiệt độ ở T3 và T4 giảm xuống nhanh chóng. Sau khi phun liên tục trong 30 giây, nhiệt độ giảm xuống dưới 100oC. Sau khi ngừng phun, không xảy ra hiện tượng cháy lại. Kết quả thí nghiệm cho thấy sương có thể dập tắt đám cháy và làm nguội hiệu quả, ngăn chặn sự bùng phát trở lại.
So với việc chữa cháy bằng khí, sương có thể là phương tiện chữa cháy tốt, có thể liên tục làm nguội pin khi cháy. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng trong các ứng dụng thực tế, vết nước do sương tạo ra có thể gây hư hỏng thiết bị trên diện rộng và hư hỏng thứ cấp. Ngoài ra, sương có đường kính giọt lớn cũng có thể gây đoản mạch hoặc phóng điện pin, làm trầm trọng thêm hiện tượng thoát nhiệt và làm tăng quy mô đám cháy. Do đó, việc lựa chọn phương pháp chữa cháy cụ thể cần phải được phân tích dựa trên đối tượng chữa cháy. Và cơ sở cho những ứng dụng cụ thể này là dữ liệu thực nghiệm, vì vậy rất cần phải tiếp tục thực hiện ở quy mô lớn hơn, đặc biệt là các thí nghiệm chữa cháy quy mô đầy đủ, để nghiên cứu đặc tính cháy của pack pin và kiểm tra tính hiệu quả của các phương pháp chữa cháy khác nhau.
Như vậy,
- (1) So với hiện tượng quá nhiệt ở bên cạnh, khi điện cực âm ở dưới cùng của pack pin quá nóng, mức độ cháy sẽ nghiêm trọng hơn và pin sẽ liên tục phun và cháy. Đối với trường hợp quá nhiệt ở một bên, cường độ cháy trong pack pin sẽ yếu đi khi khoảng cách với nguồn nhiệt ngày càng tăng và nhiều hiện tượng cháy lại không liên tục sẽ xảy ra. Ngoài ra, việc tăng công suất nguồn nhiệt sẽ rút ngắn thời gian đánh lửa của pack pin và tăng cường độ cháy của chúng.
- (2) Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ thoát nhiệt của điện cực âm dưới cùng của pack pin bậc ba là trong khoảng 120 ~ 139 ℃ khi nó quá nóng. Trong những điều kiện này, nhiệt độ đốt cháy tối đa sẽ tăng lên khi tăng công suất nguồn nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 800℃.
- (3) Phun sương (nước tinh khiết) vào pack pin đang cháy có thể dập tắt đám cháy và giảm nhiệt độ một cách hiệu quả. Phun liên tục có thể làm giảm nhiệt độ pin xuống dưới nhiệt độ tới hạn mà không gây cháy lại. Điều này chỉ ra rằng sương có thể là phương pháp chữa cháy hiệu quả đối với các vụ cháy pin, nhưng ứng dụng của nó có thể gây ra thiệt hại thứ cấp như ô nhiễm nước và phóng điện ngắn mạch, cần phải lựa chọn cẩn thận dựa trên nhu cầu chữa cháy.
