Mối quan ngại về an toàn của pin

Nguyên nhân gây ra hiện tượng thoát nhiệt:

1. Sạc quá mức: Khi pin được sạc vượt quá điện áp cho phép, nhiệt độ bên trong tăng cao, gây ra thoát nhiệt.

2. Đoản mạch: Lỗi sản xuất hoặc hư hỏng vật lý có thể gây đoản mạch, dẫn đến tăng nhiệt độ đột ngột.

3. Hư hỏng vật lý: Va đập mạnh, nứt hoặc thủng pin có thể gây rò rỉ các thành phần bên trong, dẫn đến nguy cơ cháy nổ.

Hậu quả của hiện tượng thoát nhiệt:

• Cháy nổ: Nhiệt độ cao có thể gây cháy hoặc nổ pin, đặc biệt nguy hiểm trong không gian kín.

• Phát tán khí độc: Quá trình thoát nhiệt có thể giải phóng khí độc, gây hại cho sức khỏe con người.

Biện pháp phòng ngừa:

• Sử dụng pin chất lượng cao: Chọn pin từ các nhà sản xuất uy tín để giảm nguy cơ lỗi kỹ thuật.

• Sạc pin đúng cách: Sử dụng bộ sạc chính hãng và tránh sạc quá mức để ngăn ngừa quá nhiệt.

• Kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ: Đảm bảo pin không bị hư hỏng, biến dạng hoặc có dấu hiệu bất thường trước khi sử dụng.

Sự cố thoát nhiệt của xe

• Trong thập kỷ qua, pin lithium-ion đã trở nên phổ biến trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống hàng ngày. Từ điện thoại thông minh đến tai nghe, nhiều công cụ điện khác nhau và bây giờ là xe cộ, lithium-ion là hóa chất pin quan trọng nhất và có sẵn rộng rãi nhất.
• Tuy nhiên, pin lithium-ion cũng được biết là gây ra một số rủi ro an toàn đáng kể nếu không được xử lý đúng cách. Các sự cố an toàn thường xuyên xảy ra, đe dọa đến sự an toàn cá nhân, quảng cáo thương mại và lợi ích xã hội. Nghiên cứu về sự an toàn của pin lithium-ion hiện đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực pin.

Sự cố thoát nhiệt của pin là gì?

Các đặc điểm cơ bản của tai nạn an toàn pin lithium-ion là:

1) Tai nạn ban đầu được "kích hoạt do nhiệt" bởi một mạch ngắn bên trong tạo ra;

2) Do pin dẫn nhiệt kém, sự tích tụ nhiệt đẩy nhiệt độ của pin lên cao;

3) Khi nhiệt độ tăng đến mức gây ra phản ứng hóa học dây chuyền bên trong pin, nhiệt độ tăng của pin sẽ tăng dần cho đến khi phản ứng hóa học bên trong pin giải phóng quá nhiều nhiệt đến mức không có biện pháp tản nhiệt nào có thể ngăn chặn được nhiệt độ tăng của pin, tức là pin rơi vào tình trạng mất kiểm soát nhiệt.

Có nhiều lý do gây ra tai nạn an toàn trong pin lithium-ion và rất khó để khôi phục nguyên nhân gây ra tai nạn khi pin bị cháy sau một tai nạn, vì vậy cách duy nhất để tìm ra nguyên nhân có thể gây ra lỗi an toàn trong pin lithium-ion là dựa trên suy luận. 6 nguyên nhân chính sau đây đã được xác định: độ ổn định nhiệt, kết tủa lithium trong điện cực âm, vật lạ trong kim loại điện cực dương, lỗi màng ngăn, lỗi thiết kế/sản xuất và biến dạng điện cực.

Hiện tại, việc nghiên cứu các mối nguy hiểm thứ cấp phát sinh do mất kiểm soát nhiệt của cell pin thường bao gồm các thử nghiệm sau:

• Kích hoạt mất kiểm soát nhiệt của cell pin theo cách có kiểm soát và lặp lại trong bình chịu áp suất an toàn.
• Ghi lại các thay đổi nhiệt độ trên bề mặt cell pin và trong van an toàn trong quá trình mất kiểm soát nhiệt.
• Trích xuất khí sinh ra sau quá trình thoát nhiệt của pin và phân tích thành phần của nó.
• Phân tích giới hạn dễ cháy của khí sinh ra do quá trình thoát nhiệt.
• Phân tích áp suất nổ tối đa của khí sinh ra do quá trình thoát nhiệt.
• Phân tích vận tốc cháy của khí sinh ra do quá trình thoát nhiệt.

Nghiên cứu các mối nguy hiểm do mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) trong pin có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khoa học và kỹ thuật.

Dưới đây là các bước quan trọng trong quy trình nghiên cứu:

1. Phân tích nguyên nhân gây mất kiểm soát nhiệt

Xác định các yếu tố gây ra hiện tượng thoát nhiệt:

• Sạc quá mức (Overcharging) → Gây quá nhiệt và phân hủy chất điện phân.
• Đoản mạch bên trong (Internal Short Circuit) → Do lỗi sản xuất hoặc hư hỏng cơ học.
• Tác động cơ học (Mechanical Damage) → Gây rò rỉ hoặc chập điện.
• Nhiệt độ môi trường cao (High Ambient Temperature) → Kích hoạt phản ứng thoát nhiệt.
• Lão hóa pin (Battery Aging) → Suy giảm hiệu suất, tăng nguy cơ quá nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu:

• Xem xét tài liệu khoa học, nghiên cứu trước đó.
• Kiểm tra lịch sử cháy nổ pin trong thực tế.

2. Thử nghiệm thực tế để đánh giá rủi ro

Các phương pháp thử nghiệm phổ biến:

Thử nghiệm theo tiêu chuẩn UL 9540A

• Đánh giá hiện tượng thoát nhiệt từ cấp độ tế bào, mô-đun, đơn vị và hệ thống.
• Mô phỏng điều kiện thực tế để quan sát sự lan truyền nhiệt.

Thử nghiệm Calorimeter (ISO 5660-1, ASTM E1354)

• Xác định tốc độ giải phóng nhiệt (HRR), tốc độ sinh khói (SPR), tốc độ mất khối lượng (MLR).

Thử nghiệm đánh giá đoản mạch nội bộ (Nail Penetration Test, Crush Test)

• Mô phỏng tác động vật lý gây hư hỏng pin.
• Quan sát nhiệt độ, khí thải và tốc độ cháy.

Dữ liệu thu thập:

• Nhiệt độ bắt đầu mất kiểm soát nhiệt (Onset Temperature).
• Nồng độ khí thải (CO, HCN, HF, v.v.).
• Áp suất sinh ra do phản ứng nhiệt.

3. Mô phỏng bằng phần mềm phân tích an toàn

Sử dụng phần mềm để dự đoán nguy cơ mất kiểm soát nhiệt:

• COMSOL Multiphysics → Mô phỏng truyền nhiệt và phản ứng nhiệt hóa.
• ANSYS Fluent → Mô phỏng sự lan truyền nhiệt trong mô-đun pin.
• SolidWorks Simulation → Đánh giá tác động cơ học lên tế bào pin.

Mục tiêu:

• Xác định mức nhiệt nguy hiểm.
• Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu cách nhiệt.
• Dự đoán nguy cơ cháy nổ.

4. Phát triển biện pháp phòng ngừa

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp an toàn có thể bao gồm:

Cải thiện vật liệu pin:

• Dùng chất điện phân rắn hoặc chất điện phân không cháy.
• Sử dụng vật liệu cực dương có nhiệt độ phân hủy cao hơn.

Tối ưu hệ thống làm mát:

• Thiết kế bộ tản nhiệt hiệu quả hơn.
• Kiểm soát nhiệt độ qua hệ thống BMS (Battery Management System).

Tăng cường an toàn thiết kế:

• Dùng vỏ bảo vệ chống cháy.
• Sử dụng công nghệ dập lửa tự động.