Pin lithium là hệ thống pin phát triển nhanh nhất trong 20 năm qua và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử.Vụ nổ điện thoại di động, laptop gần đây thực chất là vụ nổ pin.Pin điện thoại di động và máy tính xách tay trông như thế nào, chúng hoạt động như thế nào, tại sao chúng phát nổ và cách tránh chúng.
Tác dụng phụ bắt đầu xảy ra khi pin lithium bị sạc quá mức đến điện áp cao hơn 4,2V.Áp suất quá tải càng cao thì rủi ro càng cao.Ở điện áp cao hơn 4,2V, khi chưa đến một nửa số nguyên tử lithium còn lại trong vật liệu catốt, tế bào lưu trữ thường bị sập, khiến dung lượng pin bị giảm vĩnh viễn.Nếu quá trình tích điện tiếp tục, các kim loại lithium tiếp theo sẽ chồng lên bề mặt vật liệu làm cực âm, vì tế bào lưu trữ của cực âm đã chứa đầy các nguyên tử lithium.Những nguyên tử lithium này phát triển các tinh thể đuôi gai từ bề mặt cực âm theo hướng của các ion lithium.Các tinh thể lithium sẽ đi qua giấy màng, làm chập mạch cực dương và cực âm.Đôi khi pin phát nổ trước khi xảy ra đoản mạch.Đó là vì trong quá trình sạc quá mức, các vật liệu như chất điện phân nứt ra sinh ra khí khiến vỏ pin hay van áp suất phồng lên và nổ tung, khiến oxy phản ứng với các nguyên tử lithium tích tụ trên bề mặt điện cực âm và phát nổ.
Do đó, khi sạc pin lithium, cần đặt giới hạn trên của điện áp, phải tính đến tuổi thọ, dung lượng và độ an toàn của pin.Giới hạn trên của điện áp sạc lý tưởng là 4,2V.Cũng cần có giới hạn điện áp thấp hơn khi pin lithium phóng điện.Khi điện áp tế bào giảm xuống dưới 2,4V, một số vật liệu bắt đầu bị hỏng.Và vì ắc quy sẽ tự xả nên càng để lâu điện áp sẽ càng thấp nên tốt nhất không nên xả 2,4V để dừng.Từ 3.0V đến 2.4V, pin lithium chỉ giải phóng khoảng 3% công suất.Vì vậy, 3.0V là điện áp cắt phóng điện lý tưởng.Khi sạc và xả, ngoài giới hạn điện áp, giới hạn dòng điện cũng cần thiết.Khi dòng điện quá cao, các ion lithium không có thời gian đi vào tế bào lưu trữ, sẽ tích tụ trên bề mặt vật liệu.
Khi các ion này nhận electron, chúng kết tinh các nguyên tử lithium trên bề mặt vật liệu, điều này có thể nguy hiểm như sạc quá mức.Nếu vỏ pin bị vỡ, nó sẽ phát nổ.Do đó, việc bảo vệ pin lithium ion ít nhất phải bao gồm giới hạn trên của điện áp sạc, giới hạn dưới của điện áp phóng điện và giới hạn trên của dòng điện.Nhìn chung, ngoài lõi pin lithium sẽ có một tấm bảo vệ, chủ yếu nhằm cung cấp ba lớp bảo vệ này.Tuy nhiên, tấm bảo vệ của ba tấm bảo vệ này rõ ràng là không đủ, nên các vụ nổ pin lithium trên toàn cầu thường xuyên xảy ra.Để đảm bảo an toàn cho hệ thống ắc quy, cần phải phân tích kỹ hơn về nguyên nhân gây nổ ắc quy.
Nguyên nhân gây nổ:
1. Độ phân cực bên trong lớn;
2. Mảnh cực hấp thụ nước và phản ứng với trống khí điện phân;
3. Chất lượng và hiệu suất của chất điện phân;
4. Lượng phun chất lỏng không thể đáp ứng yêu cầu của quy trình;
5. Hiệu suất của con dấu hàn laser kém trong quá trình chuẩn bị và phát hiện rò rỉ không khí.
6. Bụi và bụi cực dễ gây chập điện đầu tiên;
7. Tấm tích cực và tiêu cực dày hơn phạm vi quy trình, khó vỏ;
8. Vấn đề bịt kín khi phun chất lỏng, hiệu suất bịt kín của bi thép kém dẫn đến trống khí;
9.Vỏ vật liệu đến của vỏ thành quá dày, biến dạng vỏ ảnh hưởng đến độ dày;
10. Nhiệt độ môi trường bên ngoài cao cũng là nguyên nhân chính gây ra vụ nổ.
Kiểu nổ
Phân tích loại nổ Các loại nổ lõi pin có thể được phân loại thành ngắn mạch bên ngoài, ngắn mạch bên trong và quá tải.Bên ngoài ở đây đề cập đến bên ngoài của tế bào, bao gồm cả hiện tượng đoản mạch do thiết kế cách điện kém của bộ pin bên trong.Khi xảy ra đoản mạch bên ngoài cell và các linh kiện điện tử không cắt được vòng lặp, cell sẽ sinh ra nhiệt lượng cao bên trong khiến một phần chất điện phân, vỏ pin bốc hơi.Khi nhiệt độ bên trong pin cao tới 135 độ C, giấy màng chất lượng tốt sẽ đóng lỗ nhỏ lại, phản ứng điện hóa chấm dứt hoặc gần như chấm dứt, dòng điện giảm xuống và nhiệt độ cũng giảm từ từ, tránh được hiện tượng nổ .Tuy nhiên, giấy màng có tốc độ đóng kém hoặc không đóng hoàn toàn sẽ giữ ấm cho pin, làm bay hơi nhiều chất điện phân hơn và cuối cùng làm vỡ vỏ pin hoặc thậm chí tăng nhiệt độ pin đến mức vật liệu bị cháy. và phát nổ.Đoản mạch bên trong chủ yếu là do vệt của lá đồng và lá nhôm xuyên qua màng ngăn, hoặc các tinh thể đuôi gai của các nguyên tử lithium xuyên qua màng ngăn.
Những kim loại nhỏ như kim này có thể gây ra các mạch điện cực ngắn.Vì kim rất mỏng và có giá trị điện trở nhất định nên dòng điện không nhất thiết phải rất lớn.Các gờ của lá nhôm đồng được tạo ra trong quá trình sản xuất.Hiện tượng quan sát được là pin bị rò rỉ quá nhanh và hầu hết đều có thể được các nhà máy sản xuất tế bào hoặc nhà máy lắp ráp sàng lọc.Và vì các gờ có kích thước nhỏ nên đôi khi chúng bị cháy khiến pin trở lại trạng thái bình thường.Vì vậy, khả năng xảy ra cháy nổ do đoản mạch của micro burr là không cao.Quan điểm như vậy, thường có thể sạc từ bên trong mỗi nhà máy sản xuất tế bào, điện áp trên pin kém nhưng hiếm khi nổ, nhận được hỗ trợ thống kê.Vì vậy, vụ nổ do đoản mạch bên trong chủ yếu là do quá tải.Bởi vì có các tinh thể kim loại lithium hình kim ở khắp mọi nơi trên tấm điện cực phía sau bị quá tải, nên các điểm đâm thủng ở khắp mọi nơi và hiện tượng đoản mạch cực nhỏ xảy ra ở khắp mọi nơi.Do đó, nhiệt độ tế bào sẽ tăng dần và cuối cùng nhiệt độ cao sẽ điện phân khí.Tình huống này, cho dù nhiệt độ quá cao có thể gây ra vụ nổ đốt cháy vật liệu, hoặc lớp vỏ đầu tiên bị vỡ, khiến không khí bên trong và kim loại lithium bị oxy hóa dữ dội, đều là kết thúc của vụ nổ.
Nhưng vụ nổ như vậy, do đoản mạch bên trong do sạc quá mức, không nhất thiết phải xảy ra tại thời điểm sạc.Rất có thể người tiêu dùng sẽ ngừng sạc và rút điện thoại ra trước khi pin đủ nóng để đốt cháy vật liệu và sinh ra đủ khí để làm nổ vỏ pin.Nhiệt lượng tạo ra bởi vô số mạch ngắn sẽ làm nóng pin từ từ và sau một thời gian sẽ phát nổ.Mô tả chung của người tiêu dùng là họ cầm điện thoại lên thấy rất nóng rồi vứt đi và phát nổ.Dựa trên các loại cháy nổ trên, chúng ta có thể tập trung vào việc ngăn ngừa quá tải, ngăn ngừa đoản mạch bên ngoài và nâng cao độ an toàn của tế bào.Trong số đó, việc ngăn ngừa quá tải và đoản mạch bên ngoài thuộc về bảo vệ điện tử, liên quan rất nhiều đến việc thiết kế hệ thống pin và bộ pin.Điểm mấu chốt của việc cải thiện an toàn tế bào là bảo vệ hóa học và cơ học, có mối quan hệ chặt chẽ với các nhà sản xuất tế bào.
Rắc rối ẩn giấu an toàn
Sự an toàn của pin lithium ion không chỉ liên quan đến bản chất của vật liệu tế bào mà còn liên quan đến công nghệ điều chế và sử dụng pin.Pin điện thoại di động thường xuyên phát nổ, một mặt là do mạch bảo vệ bị hỏng, nhưng quan trọng hơn là về mặt vật chất vẫn chưa giải quyết được vấn đề một cách căn bản.
Vật liệu hoạt động cực âm lithium axit coban là một hệ thống rất trưởng thành trong pin nhỏ, nhưng sau khi sạc đầy, vẫn còn rất nhiều ion lithium ở cực dương, khi sạc quá mức, lượng còn lại trong cực dương của ion lithium dự kiến sẽ đổ về cực dương , được hình thành trên dendrite cathode đang sử dụng hệ quả tất yếu là sạc quá mức pin lithium axit coban, ngay cả trong quá trình sạc và xả thông thường, Cũng có thể có các ion lithium dư thừa tự do đến điện cực âm để tạo thành đuôi gai.Năng lượng riêng theo lý thuyết của vật liệu lithium cobalate là hơn 270 mah/g, nhưng công suất thực tế chỉ bằng một nửa công suất lý thuyết để đảm bảo hiệu suất đạp xe của nó.Trong quá trình sử dụng, do một lý do nào đó (chẳng hạn như hệ thống quản lý bị hư hỏng) và điện áp sạc pin quá cao, phần lithium còn lại trong điện cực dương sẽ bị loại bỏ, qua chất điện phân đến bề mặt điện cực âm trong hình thức lắng đọng kim loại lithium để tạo thành đuôi gai.Sợi nhánh Đâm thủng màng ngăn, tạo ra đoản mạch bên trong.
Thành phần chính của chất điện phân là cacbonat, có điểm chớp cháy thấp và điểm sôi thấp.Nó sẽ cháy hoặc thậm chí phát nổ trong những điều kiện nhất định.Nếu pin quá nóng sẽ dẫn đến quá trình oxy hóa và khử cacbonat trong chất điện phân, dẫn đến sinh ra nhiều gas và nhiều nhiệt hơn.Nếu không có van an toàn hoặc khí không thoát ra qua van an toàn, áp suất bên trong ắc quy sẽ tăng mạnh và gây nổ.
Pin lithium ion điện phân polymer về cơ bản không giải quyết được vấn đề an toàn, axit lithium coban và chất điện phân hữu cơ cũng được sử dụng, chất điện phân có dạng keo, không dễ rò rỉ, sẽ xảy ra hiện tượng đốt cháy dữ dội hơn, đốt cháy là vấn đề lớn nhất về an toàn của pin polymer.
Ngoài ra còn có một số vấn đề với việc sử dụng pin.Đoản mạch bên ngoài hoặc bên trong có thể tạo ra dòng điện quá mức vài trăm ampe.Khi xảy ra đoản mạch bên ngoài, pin ngay lập tức phóng ra một dòng điện lớn, tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và sinh ra nhiệt lượng rất lớn trên điện trở bên trong.Đoản mạch bên trong tạo thành dòng điện lớn, nhiệt độ tăng cao khiến màng ngăn tan chảy và vùng đoản mạch giãn nở, từ đó hình thành một vòng luẩn quẩn.
Pin lithium ion để đạt được điện áp làm việc cao 3 ~ 4.2V của một cell, phải phân hủy điện áp lớn hơn 2V chất điện phân hữu cơ và việc sử dụng chất điện phân hữu cơ trong điều kiện dòng điện cao, nhiệt độ cao sẽ được điện phân, điện phân khí, dẫn đến áp suất bên trong tăng lên, nghiêm trọng sẽ xuyên thủng vỏ.
Quá tải có thể kết tủa kim loại lithium, trong trường hợp vỏ bị vỡ, tiếp xúc trực tiếp với không khí dẫn đến cháy, đồng thời đánh lửa chất điện phân, ngọn lửa mạnh, khí giãn nở nhanh, nổ.
Ngoài ra, đối với pin lithium ion của điện thoại di động, do sử dụng không đúng cách, chẳng hạn như đùn, va đập và hút nước dẫn đến pin giãn nở, biến dạng và nứt vỡ, v.v., dẫn đến đoản mạch pin, gây ra trong quá trình xả hoặc sạc. bằng vụ nổ nhiệt.
An toàn của pin lithium:
Để tránh xả quá mức hoặc sạc quá mức do sử dụng không đúng cách, cơ chế bảo vệ ba lớp được thiết lập trong một pin lithium ion.Một là sử dụng các bộ phận chuyển mạch, khi nhiệt độ của pin tăng lên, điện trở của nó sẽ tăng lên, khi nhiệt độ quá cao sẽ tự động ngừng cấp điện;Thứ hai là chọn vật liệu phân vùng thích hợp, khi nhiệt độ tăng đến một giá trị nhất định, các lỗ micron trên phân vùng sẽ tự động hòa tan, để các ion lithium không thể đi qua, phản ứng bên trong pin dừng lại;Thứ ba là lắp van an toàn (tức là lỗ thông hơi trên đỉnh ắc quy).Khi áp suất bên trong của pin tăng lên đến một giá trị nhất định, van an toàn sẽ tự động mở để đảm bảo an toàn cho pin.
Đôi khi, mặc dù bản thân ắc quy có biện pháp kiểm soát an toàn nhưng do một số nguyên nhân do điều khiển không đúng, thiếu van an toàn hoặc khí không kịp xả qua van an toàn nên áp suất bên trong ắc quy sẽ tăng mạnh, gây ra hiện tượng mất an toàn. một vụ nổ.Nói chung, tổng năng lượng được lưu trữ trong pin lithium-ion tỷ lệ nghịch với mức độ an toàn của chúng.Khi dung lượng của pin tăng lên, âm lượng của pin cũng tăng lên, hiệu suất tản nhiệt của nó giảm sút và khả năng xảy ra tai nạn sẽ tăng lên rất nhiều.Đối với pin lithium-ion sử dụng trong điện thoại di động, yêu cầu cơ bản là xác suất xảy ra tai nạn an toàn phải nhỏ hơn một phần triệu, đây cũng là tiêu chuẩn tối thiểu được công chúng chấp nhận.Đối với pin lithium-ion dung lượng lớn, đặc biệt là đối với ô tô, việc áp dụng phương pháp tản nhiệt cưỡng bức là rất quan trọng.
Việc lựa chọn vật liệu điện cực an toàn hơn, vật liệu oxit mangan lithium, về mặt cấu trúc phân tử để đảm bảo ở trạng thái sạc đầy, các ion lithium trong điện cực dương đã được nhúng hoàn toàn vào lỗ carbon âm, về cơ bản tránh tạo ra đuôi gai.Đồng thời, cấu trúc ổn định của axit lithium mangan, do đó hiệu suất oxy hóa của nó thấp hơn nhiều so với axit lithium coban, nhiệt độ phân hủy của axit lithium coban hơn 100oC, ngay cả do ngắn mạch bên ngoài (kim), bên ngoài đoản mạch, sạc quá mức, cũng có thể tránh hoàn toàn nguy cơ cháy nổ do kim loại lithium kết tủa.
Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu lithium manganate cũng có thể giảm chi phí đáng kể.
Để cải thiện hiệu suất của công nghệ kiểm soát an toàn hiện có, trước tiên chúng ta phải cải thiện hiệu suất an toàn của lõi pin lithium ion, điều này đặc biệt quan trọng đối với pin dung lượng lớn.Chọn màng ngăn có khả năng đóng nhiệt tốt.Vai trò của màng ngăn là cách ly các cực dương và cực âm của pin đồng thời cho phép các ion lithium đi qua.Khi nhiệt độ tăng lên, màng sẽ đóng lại trước khi tan chảy, nâng điện trở trong lên 2.000 ohm và tắt phản ứng bên trong.Khi áp suất hoặc nhiệt độ bên trong đạt đến tiêu chuẩn đặt trước, van chống cháy nổ sẽ mở ra và bắt đầu giảm áp suất để ngăn chặn sự tích tụ quá mức của khí bên trong, biến dạng và cuối cùng dẫn đến vỡ vỏ.Cải thiện độ nhạy điều khiển, chọn các tham số điều khiển nhạy hơn và áp dụng điều khiển kết hợp nhiều tham số (điều này đặc biệt quan trọng đối với pin dung lượng lớn).Đối với bộ pin lithium ion dung lượng lớn là thành phần nhiều ô nối tiếp/song song, chẳng hạn như điện áp máy tính xách tay lớn hơn 10V, dung lượng lớn, thường sử dụng 3 đến 4 dãy pin đơn có thể đáp ứng yêu cầu về điện áp, sau đó là 2 đến 3 dãy pin bộ pin song song, để đảm bảo dung lượng lớn.
Bản thân bộ pin dung lượng cao phải được trang bị chức năng bảo vệ tương đối hoàn hảo, đồng thời cũng cần xem xét hai loại mô-đun bảng mạch: mô-đun ProtecTionBoardPCB và mô-đun SmartBatteryGaugeBoard.Toàn bộ thiết kế bảo vệ pin bao gồm: IC bảo vệ cấp 1 (ngăn quá tải, xả quá mức, đoản mạch), IC bảo vệ cấp 2 (ngăn quá điện áp thứ hai), cầu chì, đèn LED, điều chỉnh nhiệt độ và các bộ phận khác.Theo cơ chế bảo vệ đa cấp, ngay cả trong trường hợp bộ sạc và laptop có nguồn điện bất thường, pin laptop chỉ có thể được chuyển sang trạng thái bảo vệ tự động.Nếu tình trạng không nghiêm trọng thì sau khi cắm và tháo ra thường hoạt động bình thường mà không bị nổ.
Công nghệ cơ bản được sử dụng trong pin lithium-ion dùng trong máy tính xách tay và điện thoại di động là không an toàn và cần phải xem xét các cấu trúc an toàn hơn.
Tóm lại, với sự tiến bộ của công nghệ vật liệu và sự hiểu biết ngày càng sâu sắc của mọi người về các yêu cầu thiết kế, sản xuất, thử nghiệm và sử dụng pin lithium ion, tương lai của pin lithium ion sẽ trở nên an toàn hơn.
Thời gian đăng: Mar-07-2022