Trong các sản phẩm pin lithium-ion thương mại hiện nay, quá trình sạc và xả pin thường đi kèm với việc sinh ra nhiệt. Nếu pin tạo ra quá nhiều nhiệt trong quá trình sạc và xả và không thể tản nhiệt kịp thời, hiệu suất của pin có thể bị suy giảm đáng kể do tích tụ nhiệt trong quá trình sạc và xả. Khi nhiệt độ tăng đến mức mà lớp phân cách bên trong của pin tan chảy, gây ra hiện tượng ngắn mạch giữa cực dương và cực âm, pin có thể gây nguy cơ nổ và các mối nguy hiểm khác. Do đó, nghiên cứu quy luật sinh nhiệt và hiện tượng thoát nhiệt của pin trong quá trình sạc và xả là rất quan trọng để kiểm tra độ an toàn của pin.
Bài thử nghiệm sử dụng pin với lithium coban oxit (LCO) làm điện cực dương và microspher carbon mesophase (CMS) làm điện cực âm, công suất 6,1Ah và điện áp 3,6V.
1. Thử nghiệm hiệu suất điện hóa
1.1. Thử nghiệm năng lực
Nhiệt độ thử nghiệm là (25 ± 5)℃ và hệ thống thử nghiệm sạc và xả được sử dụng để thử nghiệm. Pin được sạc đến 4,2 V ở dòng điện 0,1 C, sau đó chuyển sang sạc điện áp không đổi với dòng điện tối đa nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 C và để yên trong 10 phút; Xả pin ở dòng điện không đổi từ 0,1 C đến 2,75 V và lặp lại chu kỳ sạc và xả ba lần để đạt được công suất xả là 6,1 Ah.
1.2. Thử nghiệm vòng lặp
Ở nhiệt độ môi trường xung quanh (25 ± 5)℃, sạc pin ở dòng điện 0,5 C đến 4,1 V, sau đó chuyển sang điện áp không đổi cho đến khi dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 C, để yên trong 10 phút, và sau đó phóng điện ở dòng điện không đổi từ 1 C đến 2,75 V. Xoay nó trong 500, 1000 và 1500 chu kỳ theo hệ thống này.
1.3. Thử nghiệm điện trở trong DC
Ở nhiệt độ môi trường xung quanh (25 ± 5)℃, hãy xả pin ở dòng điện không đổi 0,5 C và tiến hành kiểm tra điện trở trong DC liên tục sau mỗi 12 phút xả (10% DOD). Sử dụng dòng điện 1,5 C để phóng xung trong 10 giây, các giá trị điện áp trước và ở giây thứ 5 của xung được lấy để tính điện trở trong DC R của pin ở các trạng thái sạc khác nhau.
2. Thử nghiệm đặc tính nhiệt của pin
2.1. Thử nghiệm công suất nhiệt
Thực hiện kiểm tra nhiệt dung riêng của pin trong nhiệt lượng kế tăng tốc. Pin luôn ở trong môi trường đoạn nhiệt, được làm nóng bằng bộ phận làm nóng công suất không đổi và đường cong nhiệt độ của pin theo thời gian được ghi lại. Tốc độ tăng nhiệt độ của pin ở trạng thái đoạn nhiệt thu được bằng cách khớp tuyến tính với đường cong. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, hãy lấy hai mẫu pin và lấy giá trị trung bình của hai lần kiểm tra.
2.2. Thử nghiệm sinh nhiệt
Đặt pin mới hoặc pin đã qua chu kỳ vào nhiệt lượng kế tăng tốc, cân bằng nhiệt độ giữa pin và buồng đoạn nhiệt, sau đó khởi động hệ thống sạc và xả. Quá trình sạc và xả được thực hiện trong môi trường đoạn nhiệt ở các dòng điện hoạt động khác nhau, đồng thời thu thập nhiệt độ bề mặt của pin cũng như đường cong điện áp pin theo thời gian trong quá trình sạc và xả
2.3. Thử nghiệm thoát nhiệt
Tiến hành kiểm tra sự thoát nhiệt trên pin ở mức 100% SOC trong nhiệt lượng kế tăng tốc, chạy chế độ HWS ở trạng thái đoạn nhiệt để làm nóng pin và đồng thời phát hiện tốc độ tự làm nóng của pin. Khi tốc độ tự làm nóng của pin ≥ 0,02℃/phút, điều đó được coi là đã xảy ra phản ứng tự làm nóng bên trong pin. Thiết bị ngừng tích cực gia nhiệt và chuyển sang chế độ đoạn nhiệt, theo sau sự tăng nhiệt độ của pin cho đến khi xảy ra hiện tượng thoát nhiệt. Đồng thời thu thập nhiệt độ bề mặt của pin và đường cong biến đổi của điện áp pin theo thời gian trong quá trình thoát nhiệt.
Hoạt động sinh nhiệt và thoát nhiệt trong quá trình sạc và xả pin LCO / CMS được nghiên cứu bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế gia tốc đoạn nhiệt. Chúng tôi đã nghiên cứu hoạt động sinh nhiệt của pin ở các tốc độ sạc và xả khác nhau, đồng thời phân tích ảnh hưởng của dòng điện hoạt động và sự lão hóa theo chu kỳ đến đặc tính sinh nhiệt của pin. Với sự lão hóa theo chu kỳ của pin, điện trở trong và tổn thất dung lượng của pin tăng lên, đồng thời tốc độ sinh nhiệt khi sạc và xả trung bình cũng như tổng lượng nhiệt sinh ra của pin đều tăng.
So sánh hành vi thoát nhiệt của pin trước và sau khi đạp xe, người ta thấy rằng nhiệt độ bắt đầu của quá trình tự làm nóng tăng nhẹ sau khi lão hóa chu kỳ, trong khi nhiệt độ bắt đầu của quá trình thoát nhiệt về cơ bản không thay đổi. Tuy nhiên, thời gian từ lúc tự làm nóng đến khi hết nhiệt của pin đã được rút ngắn. Đối với hoạt động thoát nhiệt của pin, không chỉ cần chú ý đến các điểm nhiệt độ chính như nhiệt độ ban đầu của quá trình tự làm nóng và nhiệt độ thoát nhiệt mà còn phải đo chính xác tốc độ sinh nhiệt và thời gian thoát nhiệt nhằm đánh giá hành vi thoát nhiệt của pin trong suốt vòng đời của chúng.
Bằng cách phân tích những thay đổi về sinh nhiệt và tốc độ sinh nhiệt trong quá trình sạc và xả pin theo các chu kỳ lão hóa khác nhau, tác động của sự thay đổi entropy và entanpy đối với pin được phân tích. Thay đổi thông số nhiệt động được sử dụng như một phương pháp kiểm tra không phá hủy để phản ánh mức độ xuống cấp của pin và đánh giá tình trạng sức khỏe của pin.
