Là nguồn năng lượng cốt lõi cho các thiết bị điện tử và xe điện hiện đại, pin lithium{0}}ion được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh, xe điện (EV) và xe điện hạng nhẹ cá nhân (PLEV) chẳng hạn như xe tay ga điện tử và xe đạp điện tử. Bất chấp lợi thế về mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và sạc nhanh, hiện tượng thoát nhiệt (TR) vẫn là mối nguy hiểm nghiêm trọng nhất về an toàn của pin lithium{4}}ion. Khi nhiệt độ của pin vượt quá ngưỡng tới hạn (thường là 150-180 độ ), nó sẽ kích hoạt chu trình tự làm nóng không thể kiểm soát, giải phóng một lượng lớn nhiệt và khí độc, dẫn đến cháy hoặc thậm chí là nổ.
Với việc thường xuyên xảy ra các vụ tai nạn cháy pin PLEV, việc hiểu sâu sắc về cơ chế thoát nhiệt và thực hiện các biện pháp phòng ngừa trở nên đặc biệt cấp bách. Bài viết này sẽ tiến hành phân tích một cách có hệ thống từ cơ chế đến giải pháp.
I. Đặc điểm cơ bản của sự thoát nhiệt
Sự thoát nhiệt là một phản ứng hóa học dây chuyền xảy ra khi tốc độ sinh nhiệt bên trong pin lithium{0}}ion vượt quá khả năng tản nhiệt của pin, với đặc tính tự-tăng tốc cho đến khi tiêu thụ hết chất dễ cháy trong pin. Các biểu hiện cốt lõi của nó bao gồm:
1. Nhiệt độ tăng không kiểm soát được
- Ngưỡng kích hoạt: Phản ứng tỏa nhiệt xảy ra giữa vật liệu điện phân và điện cực ở nhiệt độ 150-180 độ.
- Tốc độ tăng nhiệt độ: Nhiệt tỏa ra từ phản ứng có thể khiến nhiệt độ tăng vọt trên 1000 độ.
- Rủi ro lan truyền: Nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng truyền nhiệt ở các tế bào pin liền kề.
2. Vụ nổ khí và vỡ vỏ
- Thành phần khí: Sự phân hủy chất điện phân tạo ra các loại khí dễ cháy và độc hại như hydro và carbon monoxide.
- Tích tụ áp suất: Áp suất bên trong của vỏ kín tăng đột ngột dẫn đến vỡ.
- Thảm họa thứ cấp: Khí phun trào có thể phát nổ khi gặp tia lửa điện.
3. Thoát lửa và khí độc
- Đặc điểm đốt cháy: Nhiệt độ ngọn lửa vượt quá 1000 độ và vật liệu cực âm bị phân hủy để giải phóng oxy hỗ trợ quá trình đốt cháy.
- Phương pháp chữa cháy ngạt thở truyền thống không hiệu quả, đòi hỏi phải kiểm soát làm mát liên tục.
- Khí thải độc hại: Giải phóng các loại khí ăn mòn như axit hydrofluoric (HF), gây hại cho đường hô hấp.
4. Cơ chế truyền nhiệt
II. Phân tích bốn yếu tố gây ra sự thoát nhiệt
1. Lạm dụng máy móc
- Va chạm và đâm thủng: Các lực bên ngoài gây ra hư hỏng dải phân cách, dẫn đến đoản mạch bên trong (ví dụ: e-tai nạn rơi xe).
- Độ mỏi do rung: Rung liên tục gây ra các vết nứt nhỏ-trong các điện cực, làm tăng nguy cơ quá nhiệt cục bộ.
- Đề xuất bảo vệ kỹ thuật: Trong thiết kế cấu trúc của mô-đun pin, việc sử dụng các kết nối dải đồng SMT có độ bền cao có thể cải thiện độ ổn định cơ học và giảm hư hỏng vi mô-do rung động gây ra.
2. Lạm dụng điện
- Sạc quá mức hoặc xả quá mức gây hư hỏng cấu trúc bên trong
- Overcharging (>4.2V/cell): Lớp mạ lithium trên cực dương tạo thành các sợi nhánh xuyên qua dải phân cách.
- -xả quá mức (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Lỗi BMS: Hệ thống quản lý pin gặp trục trặc và không thể ngăn chặn các trạng thái bất thường.
3. Lạm dụng nhiệt
- Nhiệt độ môi trường cao: Pin tiếp xúc với môi trường trên 60 độ (ví dụ: bên trong xe dưới ánh nắng gay gắt).
- Tản nhiệt không đủ: Pin trong các mô-đun được xếp chồng lên nhau quá dày đặc, gây tích tụ nhiệt.
- Khiếm khuyết về quản lý nhiệt: Thiếu thiết kế đường dẫn tản nhiệt hiệu quả.
4. Khiếm khuyết trong sản xuất
- Tạp chất kim loại: Các hạt kim loại có kích thước-micron còn sót lại trong quá trình sản xuất sẽ xâm nhập vào thiết bị phân tách.
- Khiếm khuyết về dải phân cách: Lớp phủ không đồng đều dẫn đến hư hỏng cách điện cục bộ.
- Pin kém hơn: Pin giả thiếu van an toàn (CID) và bảo vệ hệ số nhiệt độ dương (PTC).
Ⅲ.Hệ thống công nghệ ngăn ngừa thoát nhiệt
1. Cải tiến trong thiết kế quản lý nhiệt
- Rào cản cách nhiệt: Lớp phủ gốm/vật liệu aerogel được sử dụng để trì hoãn sự truyền nhiệt.
- Hệ thống làm mát: EV: Đường ống tuần hoàn làm mát bằng chất lỏng; PLEV: Tản nhiệt nâng cao + thiết kế làm mát không khí.
- Tối ưu hóa cấu trúc: Ở cấp độ mô-đun, cách bố trí hợp lý các dải đồng SMT có độ dẫn nhiệt cao có thể thiết lập các đường tản nhiệt ngang hiệu quả và kết hợp với các vật liệu thay đổi pha để cải thiện cân bằng nhiệt.
2. Hệ thống quản lý pin thông minh (BMS)
- Giám sát ba lần: Phát hiện điện áp, dòng điện và nhiệt độ theo thời gian thực.
- Bảo vệ chủ động: Tự động ngắt-khi sạc quá mức/xả quá mức-; Cân bằng động của điện áp di động.
- Cơ chế cảnh báo sớm: Truyền không dây các tín hiệu cảnh báo bất thường.
3. Vật liệu an toàn nội tại
So sánh các vật liệu pin khác nhau
4. Các biện pháp bảo vệ-phía người dùng
- Thông số sạc: Sử dụng bộ sạc chính hãng; Tránh sạc qua đêm; Duy trì mức sạc trong khoảng 20% -80%.
- Yêu cầu bảo quản: Môi trường thoáng mát, tránh xa các chất dễ cháy.
- Nhận dạng bất thường: Ngừng sử dụng ngay khi phát hiện thấy phồng hoặc có mùi lạ.
Ⅳ. Công nghệ giám sát-tiên tiến
- Tiêu chuẩn quy định: Thực thi các chứng nhận an toàn như UL 2271 và IEC 62619.
- Trách nhiệm của nhà sản xuất: Thiết lập hệ thống truy xuất nguồn gốc tế bào; Loại bỏ sự lưu thông của pin kém chất lượng.
- Đổi mới công nghệ: Đẩy mạnh công nghệ đầu cuối hàn laser để đảm bảo độ tin cậy của các kết nối điện và giảm hiện tượng quá nhiệt cục bộ do điện trở tiếp xúc.
Ⅴ.Kết luận
Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành vận tải điện và lưu trữ năng lượng, việc ngăn ngừa sự thoát nhiệt của pin lithium{0}}ion đòi hỏi phải có sự hợp tác đa chiều trong-nghiên cứu và phát triển vật liệu, thiết kế kỹ thuật và giáo dục người dùng. Bằng cách tối ưu hóa các thiết kế quản lý nhiệt (chẳng hạn như sơ đồ dẫn nhiệt dải đồng SMT), phổ biến hệ thống BMS thông minh và thúc đẩy các hệ thống hóa chất an toàn như LFP, chúng ta có thể xây dựng một hệ sinh thái lưu trữ năng lượng đáng tin cậy hơn.
