Trong quá trình sản xuất pin, do sơ suất trong khâu kiểm soát quy trình, các hạt kim loại cực nhỏ đã bị lẫn vào bên trong pin lithium-ion. Khi sử dụng pin, nhiệt độ thay đổi hoặc các hạt kim loại va chạm khác nhau đã xuyên qua dải phân cách giữa cực dương và cực âm, gây ra hiện tượng ngắn mạch bên trong pin và gây ra một lượng nhiệt lớn khiến pin bắt lửa.
Do vô tình để lại các hạt kim loại trong quá trình sản xuất nên khó có thể ngăn chặn hoàn toàn những sự cố như vậy xảy ra. Do đó, chúng tôi cố gắng mô phỏng tình huống trong đó các hạt kim loại xuyên qua dải phân cách và gây ra ngắn mạch bên trong thông qua “thử nghiệm ngắn mạch cưỡng bức bên trong”.
Nếu pin lithium-ion có thể đảm bảo không gây ra nguy cơ cháy nổ trong quá trình thử nghiệm thì nó có thể đảm bảo một cách hiệu quả rằng ngay cả khi các hạt kim loại được trộn lẫn bên trong pin trong quá trình sản xuất, chúng cũng không thể xuyên qua dải phân cách giữa điện cực dương cực âm. Hoặc ngay cả khi màng ngăn bị thủng và gây ngắn mạch bên trong thì vẫn không xảy ra nguy cơ cháy nổ gây nguy hiểm đến an toàn cá nhân.
1. Buồng thử nghiệm
“Thử nghiệm ngắn mạch cưỡng bức bên trong pin” yêu cầu thử nghiệm phải được tiến hành trong môi trường 10 ~ 60℃, với tốc độ áp suất là 0,1mm, yêu cầu độ chính xác là ± 0,005ms và áp suất tối đa là 1000N. Ngoài ra, dữ liệu điện áp và áp suất cần được thu thập trong quá trình thử nghiệm.
Khi điện áp giảm hơn 50mV hoặc khi áp suất tác dụng đáp ứng yêu cầu (pin hình trụ 800N, pin vuông 400N), nên dừng và duy trì áp suất trong 30 giây. Điều này đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt đối với thiết bị áp lực: thứ nhất là kiểm soát tốc độ và độ chính xác của ứng dụng áp lực; thứ hai, để đảm bảo áp dụng áp lực; thứ ba, kiểm soát nhiệt độ môi trường; thứ tư, đáp ứng tần suất và độ chính xác của việc thu thập dữ liệu điện áp, áp suất.
Làm thế nào để đảm bảo tốc độ chính xác 0,1 ± 0,01mm/s và áp suất 100N trong môi trường nhiệt độ cao và thấp là công nghệ then chốt để xác định xem thiết bị thử nghiệm có đáp ứng các tiêu chuẩn kiểm tra hay không. Để tạo ra tốc độ đáp ứng yêu cầu thử nghiệm, việc lựa chọn vật liệu thiết bị trước tiên phải đáp ứng yêu cầu sử dụng nhiệt độ môi trường thử nghiệm, chìa khóa còn lại là chọn nguồn điện và kiểm soát độ chính xác của thiết kế cơ cấu truyền động.
Buồng thử nghiệm ngắn mạch trong pin thông qua các thử nghiệm lặp đi lặp lại, có thể đạt được ứng dụng áp suất có độ chính xác cao. Bằng cách trang bị các hộp nhiệt độ cao và thấp có độ chính xác cao và hệ thống thu thập dữ liệu, chúng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về nhiệt độ và yêu cầu thu thập dữ liệu của thiết bị áp suất.
2. Các bước sạc pin cho bài thử nghiệm
Thử nghiệm ngắn mạch bên trong cưỡng bức pin là thử nghiệm được thực hiện trên một pin đã được sạc đầy. Các điều kiện sạc sẽ ổn định trong 1-4 giờ ở nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới tương ứng, sau đó sử dụng điện áp sạc trên và dòng sạc tối đa để sạc cho đến khi giá trị hiện tại trong điều khiển sạc điện áp không đổi trở thành 0,05ItA.
Nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới chỉ ra rằng khi pin có thể sử dụng điện áp sạc giới hạn trên và dòng sạc tối đa, nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trên bề mặt của tế bào pin sẽ được chọn để sạc trong các điều kiện nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới. về đặc tính vật liệu của pin lithium.
Nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới được đề xuất lần lượt là 45℃ và 10℃. Điện áp sạc phía trên là 4,25V, dựa trên đặc tính của vật liệu pin lithium-ion (điện cực âm lithium coban oxit • điện cực dương carbon) thường được sử dụng trên thị trường và không thể đại diện cho tất cả các loại pin lithium.
Phòng thí nghiệm đề xuất nếu cần sử dụng nhiệt độ thử nghiệm trên và dưới mới cũng như điện áp sạc cao hơn thì cần phải tiến hành một số thử nghiệm nhất định và cần bổ sung cơ sở dữ liệu bổ sung. Nội dung nghiên cứu để xác định điện áp sạc giới hạn trên mới bao gồm: độ ổn định cấu trúc của vật liệu điện cực dương, độ hấp thụ lithium của vật liệu điện cực âm và độ ổn định cấu trúc của chất điện phân;
Khi xác định nhiệt độ thử nghiệm giới hạn trên và dưới, nội dung thử nghiệm bao gồm độ ổn định cấu trúc của vật liệu điện cực 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 ở giới hạn trên mới nhiệt độ thử nghiệm.
Ngoài ra, tăng thêm 5℃ để thử nghiệm giới hạn trên. Dựa trên sự hấp thụ ion lithium của vật liệu điện cực âm Độ linh động của các ion lithium trong chất điện phân (tương ứng với nhiệt độ) phải đảm bảo an toàn cho pin đã sạc ở nhiệt độ thử nghiệm giới hạn thấp hơn mới và nên thêm 5℃ vào mức thấp hơn mới giới hạn nhiệt độ thử nghiệm để đáp ứng các điều kiện sạc.
3. Các bước áp dụng
Trong điều kiện nhiệt độ trên và dưới, sử dụng dụng cụ điều áp để tạo áp suất với tốc độ 0,1mm/s đến vị trí đặt một tấm niken nhỏ trên một cục pin. Đồng thời, sử dụng Vôn kế để theo dõi sự thay đổi điện áp ở cực ra của ắc quy đơn. Khi quan sát thấy điện áp giảm lớn hơn 50mV hoặc khi áp suất tác dụng đáp ứng yêu cầu (pin hình trụ 800N, pin vuông 400N), hãy dừng giảm áp dụng cụ, giữ trong 30 giây rồi loại bỏ áp suất.
Sử dụng mức áp suất chậm tới 0,1mm/s có thể kiểm soát tốt hơn thời gian và mức độ nghiêm trọng của ngắn mạch trong. Khi xảy ra hiện tượng sụt điện áp 5mV trong quá trình áp suất, điều đó cho thấy rằng tấm niken nhỏ được đặt bên trong pin đơn đã làm thủng bộ tách pin dưới áp suất, gây ra ngắn mạch trong pin. Lúc này, không cần tiếp tục gây áp lực. Nếu áp suất đạt 800N và pin vuông được điều áp ở mức 400N mà vẫn không bị sụt áp, cho thấy bộ tách của pin đơn có thể ngăn chặn hiệu quả sự đâm thủng của tấm niken nhỏ, Điều này cũng có thể ngăn ngừa xảy ra đoản mạch bên trong trong một pin duy nhất sau khi trộn với các hạt kim loại nhỏ.
4. Kết luận
Với ứng dụng ngày càng rộng rãi của pin lithium-ion và sự tiến bộ không ngừng của các công nghệ liên quan, yêu cầu về an toàn của chúng cũng ngày càng tăng. Nhiều quốc gia, tổ chức và doanh nghiệp đang tích cực nghiên cứu các phương pháp phát hiện có thể đánh giá chính xác và hiệu quả hơn độ an toàn của pin lithium-ion. Chỉ bằng cách liên tục nghiên cứu và khám phá các đặc tính điện hóa và môi trường của pin lithium-ion, chúng ta mới có thể phát triển các dự án và điều kiện thử nghiệm pin lithium-ion khoa học, có mục tiêu và khả thi hơn.
