An toàn của pin Lithium

Pin lithium có ưu điểm là tính di động và sạc nhanh, vậy tại sao pin chì-axit và các loại pin thứ cấp khác vẫn được lưu hành trên thị trường?
Ngoài các vấn đề về chi phí và các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, một lý do khác là bảo mật.
Liti là kim loại hoạt động mạnh nhất trên thế giới.Do đặc tính hóa học của nó quá hoạt động, khi kim loại lithium tiếp xúc với không khí, nó sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa dữ dội với oxy, do đó dễ xảy ra hiện tượng nổ, cháy và các hiện tượng khác.Ngoài ra, phản ứng oxi hóa khử cũng sẽ xảy ra bên trong pin lithium trong quá trình sạc và xả.Vụ nổ và tự bốc cháy chủ yếu là do sự tích tụ, khuếch tán và giải phóng pin lithium sau khi nung nóng.Nói tóm lại, pin lithium sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt trong quá trình sạc và xả, dẫn đến nhiệt độ bên trong pin tăng lên và nhiệt độ giữa các pin riêng lẻ không đồng đều, do đó khiến pin hoạt động không ổn định.
Các hành vi không an toàn của pin lithium-ion thoát nhiệt (bao gồm sạc và xả pin quá mức, sạc và xả nhanh, đoản mạch, điều kiện lạm dụng cơ học, sốc nhiệt ở nhiệt độ cao, v.v.) có thể gây ra các phản ứng phụ nguy hiểm bên trong pin và tạo ra nhiệt, làm hỏng trực tiếp màng thụ động trên bề mặt điện cực âm và điện cực dương.
Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố thoát nhiệt của pin lithium ion.Theo các đặc điểm của kích hoạt, nó có thể được chia thành kích hoạt lạm dụng cơ học, kích hoạt lạm dụng điện và kích hoạt lạm dụng nhiệt.Lạm dụng cơ học: dùng để chỉ châm cứu, đùn và tác động vật nặng do va chạm xe cộ;Lạm dụng điện: thường do quản lý điện áp không đúng cách hoặc lỗi bộ phận điện, bao gồm đoản mạch, sạc quá mức và xả quá mức;Lạm dụng nhiệt: do quá nóng do quản lý nhiệt độ không đúng cách.

Ba phương pháp kích hoạt này có liên quan với nhau.Lạm dụng cơ học nói chung sẽ gây biến dạng hoặc vỡ màng pin, dẫn đến tiếp xúc trực tiếp giữa cực dương và cực âm của pin và đoản mạch, dẫn đến lạm dụng điện;Tuy nhiên, trong điều kiện lạm dụng điện, sự sinh nhiệt như nhiệt Joule tăng lên, khiến nhiệt độ pin tăng lên, dẫn đến lạm dụng nhiệt, tiếp tục kích hoạt phản ứng phụ sinh nhiệt kiểu dây chuyền bên trong pin, và cuối cùng dẫn đến sự cố. chạy thoát nhiệt của pin.
Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng hao nhiệt của pin là do tốc độ sinh nhiệt của pin cao hơn nhiều so với tốc độ tỏa nhiệt và nhiệt được tích tụ một lượng lớn nhưng không tiêu tan kịp thời.Về bản chất, “chạy trốn nhiệt” là một quá trình chu kỳ phản hồi năng lượng tích cực: nhiệt độ tăng sẽ khiến hệ thống trở nên nóng và nhiệt độ sẽ tăng lên sau khi hệ thống trở nên nóng, do đó sẽ khiến hệ thống trở nên nóng hơn.
Quá trình chạy trốn nhiệt: khi nhiệt độ bên trong pin tăng lên, màng SEI trên bề mặt màng SEI bị phân hủy ở nhiệt độ cao, ion lithium được nhúng trong than chì sẽ phản ứng với chất điện phân và chất kết dính, tiếp tục đẩy nhiệt độ pin lên cao đến 150 ℃, và một phản ứng tỏa nhiệt dữ dội mới sẽ xảy ra ở nhiệt độ này.Khi nhiệt độ của pin đạt trên 200 ℃, vật liệu cực âm bị phân hủy, giải phóng một lượng lớn nhiệt và khí, đồng thời pin bắt đầu phồng lên và liên tục nóng lên.Cực dương nhúng lithium bắt đầu phản ứng với chất điện phân ở 250-350 ℃.Vật liệu cực âm tích điện bắt đầu trải qua phản ứng phân hủy dữ dội và chất điện phân trải qua phản ứng oxy hóa dữ dội, giải phóng một lượng nhiệt lớn, tạo ra nhiệt độ cao và một lượng khí lớn, gây cháy và nổ pin.
Vấn đề kết tủa dendrite lithium trong quá trình sạc quá mức: Sau khi pin lithium cobalate được sạc đầy, một lượng lớn các ion lithium vẫn còn trong điện cực dương.Điều đó có nghĩa là, cực âm không thể chứa nhiều ion lithium hơn được gắn vào cực âm, nhưng ở trạng thái sạc quá mức, các ion lithium dư thừa trên cực âm vẫn sẽ bơi sang cực âm.Bởi vì chúng không thể được chứa hoàn toàn, kim loại lithium sẽ hình thành trên cực âm.Vì lithium kim loại này là một tinh thể đuôi gai, nên nó được gọi là dendrite.Nếu sợi nhánh quá dài, rất dễ đâm thủng màng ngăn, gây đoản mạch bên trong.Do thành phần chính của chất điện phân là cacbonat nên điểm bắt lửa và nhiệt độ sôi thấp nên sẽ cháy, thậm chí phát nổ ở nhiệt độ cao.

Nếu là pin lithium polymer, chất điện phân là keo, dễ bị cháy dữ dội hơn.Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học cố gắng thay thế vật liệu cực âm an toàn hơn.Vật liệu của pin lithium manganat có những ưu điểm nhất định.Nó có thể đảm bảo rằng ion lithium của điện cực dương có thể được nhúng hoàn toàn vào lỗ carbon của điện cực âm ở trạng thái sạc đầy, thay vì có một số dư lượng nhất định trong điện cực dương như lithium cobalate, điều này ở một mức độ nào đó tránh được việc tạo ra nhánh cây.Cấu trúc ổn định của lithium manganat làm cho hiệu suất oxy hóa của nó thấp hơn nhiều so với lithium cobalate.Ngay cả khi xảy ra đoản mạch bên ngoài (chứ không phải đoản mạch bên trong), về cơ bản có thể tránh được hiện tượng cháy và nổ do kết tủa kim loại lithium.Liti sắt photphat có độ ổn định nhiệt cao hơn và khả năng oxy hóa thấp hơn chất điện phân nên có độ an toàn cao.
Sự suy giảm lão hóa của pin lithium ion được biểu hiện bằng sự suy giảm dung lượng và tăng điện trở bên trong, và cơ chế suy giảm lão hóa bên trong của nó bao gồm mất các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực và mất các ion lithium có sẵn.Khi vật liệu cực âm bị lão hóa và phân rã, đồng thời công suất của cực âm không đủ, nguy cơ phát triển lithium từ cực âm sẽ dễ xảy ra hơn.Trong điều kiện phóng điện quá mức, điện thế của cực âm đối với lithium sẽ tăng lên trên 3V, cao hơn điện thế hòa tan của đồng, gây ra sự hòa tan của bộ thu đồng.Các ion đồng hòa tan sẽ kết tủa trên bề mặt cực âm và tạo thành các sợi nhánh đồng.Các sợi nhánh đồng sẽ đi qua màng ngăn, gây đoản mạch bên trong, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất an toàn của pin.
Ngoài ra, khả năng chống sạc quá mức của pin lão hóa sẽ giảm đến một mức độ nhất định, chủ yếu là do điện trở trong tăng lên và hoạt chất tích cực và tiêu cực giảm, dẫn đến sự gia tăng nhiệt joule trong quá trình sạc quá mức của pin.Trong trường hợp ít sạc quá mức, các phản ứng phụ có thể được kích hoạt, gây ra sự thoát nhiệt của pin.Về độ ổn định nhiệt, sự phát triển của lithium từ cực âm sẽ dẫn đến sự suy giảm mạnh về độ ổn định nhiệt của pin.
Nói một cách dễ hiểu, hiệu suất an toàn của pin cũ sẽ giảm đi đáng kể, điều này sẽ gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sự an toàn của pin.Giải pháp phổ biến nhất là trang bị hệ thống lưu trữ năng lượng pin với hệ thống quản lý pin (BMS).Ví dụ: pin 8000 18650 được sử dụng trong Tesla Model S có thể thực hiện theo dõi thời gian thực các thông số vật lý khác nhau của pin, đánh giá trạng thái sử dụng pin và tiến hành chẩn đoán và cảnh báo sớm trực tuyến thông qua hệ thống quản lý pin.Đồng thời, nó cũng có thể thực hiện kiểm soát xả và sạc trước, quản lý cân bằng pin và quản lý nhiệt.