1. Cơ chế thoát nhiệt trong pin lithium-ion
Pin lithium được hình thành bằng cách nhúng các ion lithium vào carbon (than cốc dầu mỏ và than chì) để tạo thành điện cực âm. LixCoO2 thường được sử dụng làm vật liệu điện cực dương, đồng thời LixNiO2 và LixMnO4 cũng được sử dụng. LiPF6+diethylene cacbonat (EC)+dimethyl cacbonat (DMC) được sử dụng làm chất điện phân. Các yếu tố chính gây ra hiện tượng thoát nhiệt bao gồm hư hỏng cơ học, sạc quá mức, đoản mạch bên trong, v.v. Dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, các vật liệu hoạt động bên trong pin lithium-ion trải qua các phản ứng tỏa nhiệt dữ dội và nhiệt độ bên trong của pin vượt quá phạm vi có thể kiểm soát được , cuối cùng dẫn đến sự thoát nhiệt. Các phản ứng hóa học tỏa nhiệt xảy ra bên trong pin lithium-ion bao gồm sự phân hủy của mặt nạ có giao diện điện phân rắn SEI, phản ứng giữa vật liệu hoạt động âm và chất điện phân, phản ứng giữa vật liệu hoạt động âm và chất kết dính và phản ứng phân hủy oxy hóa của chất điện phân.
Trong quá trình sạc và xả pin lithium-ion, vinyl cacbonat trên giao diện pha rắn của vật liệu hoạt động điện cực sẽ phản ứng với lithium điện cực âm, tạo thành một lớp màng SEI trên bề mặt bám dính than chì. Màng này có thể trực tiếp làm chậm hoặc thậm chí ngăn chặn phản ứng giữa chất điện phân và vật liệu hoạt động ở cả hai phía của điện cực, làm giảm đáng kể tốc độ tỏa nhiệt và cải thiện độ ổn định của vật liệu điện cực dương và âm.
Khi nhiệt độ tăng lên 90-120 độ, màng SEI bắt đầu phân hủy, sau đó là phản ứng tỏa nhiệt giữa chất điện phân và vật liệu hoạt động điện cực âm. Lấy vinyl cacbonat làm ví dụ, quá trình phản ứng được thể hiện trong phương trình (1) và (2):
Trong phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt độ bên trong pin tăng dần. Dựa trên việc sử dụng các vật liệu màng khác nhau, điểm nóng chảy của chúng cũng khác nhau. Màng ngăn polypropylen thông thường có nhiệt độ nóng chảy là 165 độ và vật liệu polyetylen có nhiệt độ nóng chảy là 135 độ. Sau khi đạt đến nhiệt độ điểm nóng chảy của vật liệu phân cách, bộ phân tách bên trong trải qua quá trình co lại cục bộ, gây ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu điện cực dương và âm bên trong pin, dẫn đến đoản mạch và tạo ra một lượng nhiệt lớn. Lượng nhiệt lớn sinh ra do đoản mạch khiến màng ngăn co lại nhanh chóng, càng làm trầm trọng thêm phản ứng tỏa nhiệt.
Đồng thời, trong phạm vi nhiệt độ mà màng SEI bị phân hủy và trải qua các phản ứng tỏa nhiệt, muối lithium cũng trải qua các phản ứng tỏa nhiệt mạnh với chất điện phân. Các loại vật liệu hoạt tính phổ biến cho pin lithium-ion bao gồm lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), v.v. Lithium hexafluorophosphate phân hủy ở nhiệt độ cao để tạo ra PF5, chất này tiếp tục phản ứng với dung môi để hấp thụ các nguyên tử oxy của CO liên kết và trải qua phản ứng tỏa nhiệt dữ dội, tiếp tục đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân. Đồng thời, phản ứng oxy hóa khử giữa lithium hexafluorophosphate và dung môi còn giải phóng khí axit hydrofluoric có độc tính cao (HF). Quá trình phản ứng cụ thể được thể hiện ở các phương trình (3) đến (5):
Trong cùng một phạm vi nhiệt độ, chất điện phân tự trải qua phản ứng phân hủy và giải phóng một lượng nhỏ khí dễ cháy. Khi sử dụng phép đo nhiệt lượng tốc độ để phân tích quá trình thoát nhiệt, người ta nhận thấy rằng khí tạo ra từ quá trình phân hủy chất điện phân chủ yếu bao gồm C2H4, CO và H2. Chất điện phân nhanh chóng bay hơi và làm tăng áp suất bên trong của pin. Khi áp suất bên trong đạt đến giới hạn của van giảm áp, một lượng lớn khí dễ cháy sẽ thoát ra ngoài, càng làm trầm trọng thêm sự lan rộng của hiện tượng thoát nhiệt. Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn chất điện phân lớn hơn nhiều so với nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng phân hủy. Lấy ethylene cacbonat (EC) và propylene cacbonat (PC) làm ví dụ, các quá trình phản ứng oxy hóa chất điện phân (6)~(7) và oxy hóa không hoàn toàn (8)~(9) như sau:
Khi nhiệt độ bên trong pin tăng dần, vật liệu hoạt động của điện cực dương bắt đầu phân hủy. Dựa trên việc sử dụng các vật liệu hoạt tính khác nhau, nhiệt độ xảy ra phản ứng tỏa nhiệt cũng khác nhau. Sự phân hủy của vật liệu hoạt động điện cực dương tạo ra oxy, sau đó oxy này tham gia phản ứng với vật liệu hoạt động bên trong, tạo ra một lượng lớn khí bên trong pin. Quá trình phản ứng như sau:
Khi nhiệt độ vượt quá 136 độ, chất kết dính polyvinylidene fluoride (PVDF) sẽ phản ứng với lithium để tạo ra khí hydro. Quá trình phản ứng như sau:
Ngoại trừ màng SEI nóng chảy và hấp thụ nhiệt, các phản ứng hóa học trên đều là phản ứng tỏa nhiệt. Sự giải phóng nhiệt của quá trình phân hủy chất điện phân, chất phân tách, vật liệu hoạt động của pin và chất kết dính lần lượt chiếm 43,5%, 30,3%, 20,1% và 6,2% tổng lượng nhiệt giải phóng. Phản ứng giữa các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực của pin và chất điện phân là nguồn nhiệt lớn nhất.
2. Các yếu tố gây ra hiện tượng thoát nhiệt trong pin lithium-ion
Các yếu tố gây ra hiện tượng thoát nhiệt trong pin lithium-ion có thể được phân thành ba loại: lạm dụng cơ học (đâm thủng kim, biến dạng nén, va chạm bên ngoài), lạm dụng điện (sạc quá mức và xả quá mức, đoản mạch) và lạm dụng nhiệt (hệ thống quản lý nhiệt). sự thất bại). Việc lạm dụng cơ học có thể dễ dàng gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin lithium, dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt; Trong việc lạm dụng điện, việc sạc quá mức và xả pin có thể gây ra phản ứng phụ bên trong, dẫn đến pin quá nóng cục bộ và gây thoát nhiệt; Đoản mạch bên ngoài là tình trạng nguy hiểm do pin xả nhanh, trong đó dòng điện cực cao gây nóng nhanh và thậm chí làm cháy các cực của pin; Trong tình trạng lạm dụng nhiệt, hệ thống quản lý nhiệt bị hỏng thường gây ra sự co lại và phân hủy của màng ngăn bên trong, cuối cùng dẫn đến đoản mạch bên trong và thoát nhiệt.
Ngoài ra, trạng thái riêng của pin cũng là một trong những yếu tố quan trọng gây ra hiện tượng thoát nhiệt. Với sự gia tăng chu kỳ sạc và xả pin cũng như sự tạo ra các tạp chất trộn lẫn trong quá trình sản xuất dendrite, các phản ứng phụ bất lợi như dendrit kim loại được tạo ra, dễ xuyên qua dải phân cách và gây đoản mạch cục bộ trong pin.
2.1 Nghiên cứu hiện tượng thoát nhiệt của pin do lạm dụng nhiệt
Theo mô hình thoát nhiệt quá tải khớp nối nhiệt điện hóa của pin lithium-ion được thiết lập trong tài liệu, pin lithium-ion thường bắt đầu tự nóng lên khi nhiệt độ đạt tới 80 độ. Khi nhiệt lượng pin tràn ra và không thể giải phóng một cách hiệu quả, việc quản lý nhiệt của pin sẽ dẫn đến nhiệt độ pin tăng lên không kiểm soát được, nhiệt độ này sẽ khuếch tán từ từng tế bào cục bộ sang bộ pin nguồn, gây ra hàng loạt phản ứng phụ và thoát nhiệt.
Lạm dụng nhiệt không xảy ra một cách tự phát bên trong pin. Thông thường, do lạm dụng cơ học hoặc các lý do khác, nhiệt độ bên trong pin tăng lên đến một ngưỡng và các khu vực cục bộ của pin nóng lên, dẫn đến lạm dụng nhiệt và tiếp tục kích hoạt việc kiểm soát nhiệt độ cũng như khả năng tự bốc cháy của pin.
Đồng thời, hiện tượng thoát nhiệt cũng được sử dụng như một phương pháp nghiên cứu để thử nghiệm quá trình thoát nhiệt của pin và phát hiện các đặc tính an toàn trong quá trình thoát nhiệt của pin. Năm 1999, KITOH và cộng sự. đã tiến hành nghiên cứu giám sát các đặc tính an toàn thoát nhiệt của pin năng lượng riêng cao dựa trên phương pháp gia nhiệt bên ngoài. Kể từ đó, phương pháp năng lượng đoạn nhiệt đã được sử dụng rộng rãi để kiểm tra ngưỡng nhiệt độ thoát nhiệt của pin lithium-ion. Nghiên cứu hiện nay về lạm dụng nhiệt chủ yếu dựa trên việc đánh lửa bức xạ bên ngoài của pin. Liu Mengmeng đã thiết lập mô hình sinh nhiệt nhất thời đa nội sinh và mô hình ghép nhiệt điện hóa. Dựa trên phương pháp gia nhiệt bức xạ, các đặc tính an toàn của pin sau khi tự bốc cháy do lạm dụng nhiệt đã được nghiên cứu. Người ta nhận thấy rằng quá trình đốt cháy pin có thể được chia thành ba giai đoạn, đó là đốt phun, đốt ổn định và đốt phun thứ cấp. LI và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của dòng phóng điện đến nhiệt độ trong bối cảnh thoát nhiệt do lạm dụng nhiệt. Người ta nhận thấy rằng khi dòng phóng điện không đổi, sự suy giảm chất lượng, các thông số đặc tính an toàn, nhiệt độ bắt đầu thoát nhiệt và nhiệt độ cao nhất trong quá trình thoát nhiệt đều phụ thuộc vào dung lượng pin.
2.2 Nghiên cứu hiện tượng thoát nhiệt của pin do lạm dụng điện
Các nguyên nhân phổ biến gây ra hiện tượng thoát nhiệt của pin bao gồm sạc và xả quá mức, đoản mạch bên trong, đoản mạch bên ngoài, v.v.
(1) Quá tải và xả quá mức
Trong quá trình hoàn thành chu kỳ xả sạc của pin lithium-ion, hệ thống quản lý pin BMS thường sẽ chặn dòng sạc dựa trên trạng thái sạc. Khi hệ thống BMS bị lỗi, việc sạc pin quá mức có thể dễ dàng gây ra tai nạn tự bốc cháy nghiêm trọng. Sau khi đạt đến ngưỡng SOC trong quá trình sạc, kim loại lithium sẽ bám vào bề mặt vật liệu hoạt động của điện cực âm và lithium kèm theo sẽ phản ứng với chất điện phân ở nhiệt độ nhất định, giải phóng một lượng lớn khí nhiệt độ cao. Đồng thời, vật liệu hoạt động của điện cực dương bắt đầu tan chảy do loại bỏ lithium quá mức và sự chênh lệch điện thế lớn với điện cực âm. Khi điện thế điện cực dương vượt quá điện áp an toàn của chất điện phân, chất điện phân cũng sẽ trải qua phản ứng oxy hóa với vật liệu hoạt động điện cực dương. Trong quá trình sạc quá mức, một loạt các phản ứng phụ như đốt nóng Ohmic và tràn khí có thể xảy ra, làm trầm trọng thêm hiện tượng thoát nhiệt.
Khí thoát ra trong quá trình sạc quá mức của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm CO2, CO, H2, CH4, C2H6 và C2H4, thể tích khí và nhiệt tăng lên khi dòng sạc tăng. Bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế gia tốc và máy phân tích chu trình pin để phân tích chung, thí nghiệm cho thấy nguy cơ sạc quá mức dựa trên điện áp không đổi hiện tại lớn hơn nhiều so với nguy cơ sạc quá mức trực tiếp với dòng điện không đổi. Dựa trên hiệu suất quá tải của điện cực dương tổng hợp và điện cực âm than chì trong các môi trường thí nghiệm khác nhau, Ren và cộng sự. xem xét toàn diện ảnh hưởng của dòng sạc, vật liệu phân tách và hệ thống tản nhiệt. Nghiên cứu cho thấy lượng nhiệt thoát ra trong quá trình sạc quá mức của pin NCM không liên quan chặt chẽ đến cường độ dòng sạc. Điểm nóng chảy của các vật liệu phân tách khác nhau cũng như sự biến dạng và phồng lên của pin là những yếu tố chính gây ra hiện tượng thoát nhiệt của pin lithium-ion. Vương và cộng sự. đã phân tích đường truyền nhiệt và đường tràn khí ở nhiệt độ cao của pin lithium bị sạc quá mức và nhận thấy rằng nhiệt sinh ra do phản ứng giữa lắng đọng lithium và chất điện phân trong quá trình sạc quá mức của pin chiếm hơn 43%. Zhang và cộng sự. đã nghiên cứu cơ chế suy giảm dung lượng của bộ pin dựa trên điện áp chênh lệch điện dung tăng dần và nhận thấy rằng một lần sạc quá mức ít ảnh hưởng đến dung lượng pin, nhưng sau khi sạc quá mức cho đến khi vật liệu hoạt động của điện cực dương phân tách, nó sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ ổn định nhiệt của bộ pin.
Tác hại do xả quá mức nhỏ hơn nhiều. Việc xả quá sớm khó có thể gây ra hiện tượng thoát nhiệt của pin nhưng có thể ảnh hưởng đến dung lượng pin. Chu Ping và cộng sự. đã nghiên cứu đặc tính phóng điện của pin lithium ba ngôi NCM mangan niken coban sau khi xả quá mức. Trong quá trình phóng tĩnh điện, mức độ ngắn mạch bên trong pin lithium NCM giảm, điện trở tăng và dòng phóng điện giảm. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng độ sâu phóng điện càng lớn thì mức độ suy giảm của từng tế bào bên trong bộ pin càng lớn. Ma và cộng sự. được phát hiện trong thí nghiệm xả quá mức của pin lithium rằng việc xả quá mức không làm thay đổi cấu trúc của vật liệu hoạt động của pin, nhưng có thể gây ra sự hòa tan của bộ thu dòng điện cực âm, làm tăng độ dày của màng SEI và đẩy nhanh quá trình lão hóa của pin. Đặc điểm hoạt động của pin lithium-ion trong quá trình phóng điện được thể hiện trong hình.
(2) Đoản mạch bên ngoài
Đoản mạch bên ngoài cũng là một nguyên nhân quan trọng gây ra hiện tượng thoát nhiệt trong pin điện. Chen và cộng sự. đã phát triển mô hình ghép nhiệt điện mới dựa trên sự kết hợp giữa mô hình sinh nhiệt, phân phối và truyền nhiệt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ cao nhất của pin lithium-ion trong điều kiện ngắn mạch bên ngoài tồn tại ở rìa tai điện cực. Ma Taixiao và cộng sự. nhận thấy rằng ở trạng thái ngắn mạch bên ngoài của pin điện, nhiệt sinh ra do phản ứng phụ nhỏ hơn nhiều so với nhiệt do điện hóa tạo ra và nhiệt sinh ra do điện hóa có tương quan thuận với SOC ban đầu, nhưng tương quan nghịch với nhiệt độ đỉnh căng thẳng nhiệt.
(3) Đoản mạch bên trong
Đoản mạch bên trong, xảy ra bên trong pin và hệ thống BMS khó phát hiện, là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thoát nhiệt trong pin lithium-ion. Khi pin bị sạc quá mức hoặc xả quá mức, các sợi nhánh lithium dần dần phát triển để xuyên qua màng SEI, gây ra đoản mạch bên trong và nhanh chóng dẫn đến nhiệt độ tăng không kiểm soát và thoát nhiệt. Ngoài ra, hư hỏng lưới hoặc các gờ của bộ thu dòng điện do quá trình sản xuất pin thô gây ra cũng có thể dẫn đến đoản mạch bên trong.
2.3 Nghiên cứu hiện tượng thoát nhiệt của pin do lạm dụng cơ khí
Trong ứng dụng của ắc quy điện ô tô, những hư hỏng về cơ khí chắc chắn do tai nạn. Nếu bộ pin bị biến dạng bởi các lực bên ngoài như đâm thủng và nén, nó có thể gây ra những thay đổi cấu trúc bên trong và thậm chí dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt do tiếp xúc trực tiếp giữa cực dương và cực âm dưới áp lực cực lớn. Vì vậy, cần phải tiến hành nghiên cứu hiện tượng thoát nhiệt do lạm dụng cơ học của pin, trong đó Fan Wenjie và Xu Huiyong đã tiến hành nghiên cứu hiện tượng thoát nhiệt do lạm dụng cơ học dựa trên mô hình phần tử hữu hạn và phân tích giám sát số.
Vương và cộng sự. đã thực hiện nghiên cứu về sự thay đổi mặt cắt ngang của bộ pin sau va chạm dựa trên pin lithium-ion dạng gói mềm. Thí nghiệm đâm thủng cho thấy một số lượng lớn biến dạng cục bộ và các lớp đứt gãy do cắt xuất hiện bên trong bộ pin trong quá trình đâm thủng, đồng thời làm rách bộ thu dòng và vật liệu hoạt động điện cực dương, cũng như sự sắp xếp lại cấu trúc bên trong của pin. gói gây ra bởi sự thủng của dải phân cách, là nguyên nhân cơ bản gây ra hiện tượng thoát nhiệt ngắn mạch bên trong pin. Thịt cừu và cộng sự. nghiên cứu trạng thái biến dạng của pin lithium-ion hình trụ 18650 trong điều kiện đâm thủng dựa trên công nghệ chụp cắt lớp vi tính. Thí nghiệm cho thấy hiện tượng thấm giữa các điện cực dương và âm làm trầm trọng thêm sự xuất hiện của đoản mạch bên trong. Trong thời gian ngắn mạch, lá nhôm kèm theo tan chảy, tạo thành một số lượng lớn các hạt kim loại tại vết nứt đâm thủng. Li và cộng sự. đã thiết lập các mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho các trạng thái lạm dụng cơ học khác nhau dựa trên việc đâm thủng, nén, v.v. và phát triển thuật toán học tập để dự đoán quá trình thoát nhiệt của pin bằng cách sử dụng các thông số của pin thải. Tác động của việc lạm dụng cơ học đối với sự an toàn của pin lithium-ion được phân tích dựa trên tám loại thông số, bao gồm lực tác động, góc va chạm và phạm vi biến dạng, giúp giảm đáng kể độ phức tạp tính toán.
Sự lạm dụng cơ học xảy ra trong các ứng dụng thực tế phức tạp hơn các thí nghiệm đơn lẻ như đâm thủng và nén. Chỉ dựa vào mô phỏng thử nghiệm không thể nghiên cứu sâu các đặc tính an toàn của việc lạm dụng cơ học pin. Giải pháp cơ bản là tối ưu hóa vị trí lắp đặt ắc quy, thiết lập hệ thống BMS đáng tin cậy và tối ưu hóa thiết kế khung xe khi thiết kế bộ ắc quy điện, nhằm giảm thiểu biến dạng và nén của bộ ắc quy điện khi xảy ra va chạm. .
3. Các biện pháp và phương pháp phòng ngừa sự thoát nhiệt của pin lithium-ion
Với mục tiêu ngăn chặn, trì hoãn và ngăn chặn sự thoát nhiệt của pin điện, nhiều học giả đã tiến hành nghiên cứu về quản lý nhiệt bộ pin, thiết kế cấu trúc bộ pin cường độ cao và các khía cạnh khác.
3.1 Thiết kế an toàn cho từng loại pin
(1) Nghiên cứu về độ an toàn của thiết kế màng ngăn
Cốt lõi của việc cải thiện độ an toàn của màng ngăn nằm ở việc tăng nhiệt độ mà màng ngăn co lại và tan chảy, nâng cao khả năng cách ly ở nhiệt độ cao. Khả năng cách ly nhiệt độ cao của màng ngăn đảm bảo rằng các vi lỗ của nó được bịt kín trong môi trường nhiệt độ cao, ngăn chặn dòng ion lithium. Các vật liệu màng được sử dụng rộng rãi thường được phủ bằng lớp phủ gốm hoặc các vật liệu khác có hiệu ứng tế bào kín.
(2) Nghiên cứu về độ an toàn của vật liệu điện cực dương
Các vật liệu hoạt động điện cực dương lithium-ion phổ biến nhất được sử dụng trên thị trường pin điện nói chung là LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM), v.v. Sử dụng vật liệu che phủ điện cực dương để ngăn chặn và giảm bớt các phản ứng phụ tỏa nhiệt, cải thiện chu kỳ hoạt động của pin và độ ổn định nhiệt, chẳng hạn như ZrO2 và AlF3. Zhang và cộng sự. đã phát triển vật liệu NCM ba lớp dựa trên sự phân bố gradient của nồng độ nguyên tử, với Ni là lõi và Mn bao phủ lớp ngoài của các hạt đính kèm. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng nó có thể duy trì chu kỳ tốt và độ ổn định nhiệt ngay cả trong nhiều điều kiện nhiệt độ cao và quá tải.
(3) Nghiên cứu về độ an toàn của vật liệu điện cực âm
Việc cải thiện độ an toàn của điện cực âm chủ yếu đạt được thông qua việc phủ vật liệu hoặc thêm chất phụ gia vào chất điện phân để tăng cường độ ổn định nhiệt của màng SEI. Xu và cộng sự. đã thêm hợp kim lỏng GaSnIn vào chất điện phân để cải thiện độ ổn định nhiệt của pin. Thí nghiệm cho thấy lớp SEI gradient được chuẩn bị sẵn giúp giảm đáng kể sự phân cực điện áp và cải thiện hiệu suất Coulomb lên 99,06%. Zheng và cộng sự. đã chế tạo màng sợi nano aramid (ANF) siêu mỏng để ngăn chặn sự phát triển dendrite lithium. Trong thử nghiệm thực nghiệm, trong môi trường mật độ dòng điện cao 50mA/cm2, công suất của ANF-Li|Pin LiFePO4 đầy giảm xuống còn 80,2% sau 1200 chu kỳ. Và lần đầu tiên, nghiên cứu của họ đã phát hiện ra sự lắng đọng lithium dạng sợi và màng ANF được chuẩn bị với các lỗ có kích thước nano đã thúc đẩy quá trình khuếch tán chất điện phân, tăng hiệu quả vận chuyển lithium và loại bỏ những nhược điểm của sợi nhánh lithium có kích thước micromet xuyên qua màng.
(4) Nghiên cứu về độ an toàn của chất điện giải
Hầu hết các tai nạn rò rỉ nhiệt đều liên quan đến chất điện phân và việc cải thiện độ an toàn của chất điện phân để ngăn chặn sự thoát nhiệt là rất quan trọng. Chất chống cháy, chất polyme rắn hoặc chất lỏng ion thường được thêm vào chất điện phân dưới dạng phụ gia chống quá tải. Flo ethylene cacbonat (FEC) là chất phụ gia điện phân phổ biến nhất, có ưu điểm là cải thiện hiệu suất Coulombic của việc loại bỏ lithium thuận nghịch trong điện cực âm bằng cách thay đổi thành phần màng SEI. Li và cộng sự. đã thiết kế màng SEI xen kẽ chất điện phân rắn và tinh thể hai lớp sử dụng lithium Difluoroborate (LiDFOB) làm muối chính trong chất điện phân photphat hỗn hợp. Thí nghiệm chống cháy cho thấy thời gian tự dập tắt của chất điện phân chống cháy là 6,1 giây và hiệu suất thuận nghịch của Li là 98,2%. Sau 150 chu kỳ xả sạc, nó vẫn duy trì được 89,7% dung lượng pin.
3.2 Thiết kế bảo vệ an toàn và tối ưu hóa hệ thống ắc quy điện
(1) Thiết kế tối ưu cấu trúc bộ pin
Việc thiết kế cấu trúc bộ pin và tối ưu hóa vị trí lắp đặt xe là rất quan trọng để nâng cao độ an toàn. Chen và cộng sự. đã tiến hành một thí nghiệm phân loại về tác động của phạm vi thoát nhiệt dựa trên cách bố trí pin 18650. Thí nghiệm cho thấy thời gian đánh lửa ngắn hơn, tốc độ và phạm vi lan rộng lớn hơn ở những khu vực có diện tích sưởi ấm lớn hơn. Nhưng thí nghiệm của họ chỉ xem xét đến hiện tượng nóng lên tổng thể của mô-đun pin nguồn và không tính đến hiện tượng quá nhiệt cục bộ do đoản mạch bên trong gây ra. Liu Zhenjun và cộng sự. đã tối ưu hóa thiết kế bộ pin dựa trên mô hình tản nhiệt ba chiều của bộ pin nguồn và tiến hành mô phỏng tản nhiệt. Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nhất của pin lithium-ion được tối ưu hóa đã giảm từ 46 độ xuống 34 độ và chênh lệch nhiệt độ giữa các tế bào riêng lẻ được kiểm soát trong vòng 5 độ.
(2) Thiết kế hệ thống quản lý nhiệt ắc quy
Pin lithium ion có độ nhạy nhiệt cao và việc cải thiện hiệu suất xả ở nhiệt độ thấp cũng như độ an toàn ở nhiệt độ cao là cốt lõi của hệ thống quản lý nhiệt pin. Các phương pháp làm mát cho bộ pin bao gồm làm mát bằng chất lỏng và làm mát bằng không khí. Các xe điện của Tesla đều sử dụng công nghệ làm mát bằng chất lỏng, trong khi xe buýt điện thường sử dụng làm mát bằng không khí. Trong những năm gần đây, chẳng hạn như aerogel, vật liệu thay đổi pha và vật liệu lai đã được sử dụng trong hệ thống quản lý nhiệt pin do hiệu quả hấp thụ nhiệt tuyệt vời của chúng. Wu và cộng sự. đã phát triển một loại vật liệu linh hoạt cho hệ thống quản lý nhiệt pin dựa trên hydrogel. Vật liệu polyacrylate natri chi phí thấp được sử dụng. Độ dẻo cực mạnh của nó có thể được chế tạo thành nhiều hình dạng khác nhau và xếp chồng lên nhau trong bộ pin, có thể nhận ra hiệu quả tản nhiệt của làm mát không khí và làm mát bằng chất lỏng truyền thống một cách kinh tế.
(3) Thiết kế hệ thống làm mát, dập tắt, chặn và dẫn khí cho quá trình thoát nhiệt của ắc quy
Khi không thể tránh khỏi hiện tượng thoát nhiệt của pin, điều đặc biệt quan trọng là phải kịp thời ngăn chặn và làm nguội sự lan truyền nhiệt cũng như dẫn khí có nhiệt độ cao để tránh ảnh hưởng đến pin được lắp đặt gần nhau.
Các cách chính để ngăn chặn sự lây lan của hiện tượng thoát nhiệt bao gồm: đổ đầy chất chống cháy, sử dụng vật liệu cách nhiệt để cách ly pin thoát nhiệt hoặc dẫn ngọn lửa và khí nhiệt độ cao ra khỏi bộ pin thông qua các con đường. Xu và cộng sự. đã phát triển một ống tản nhiệt khí ở nhiệt độ cao có mặt cắt ngang hình chữ nhật được bố trí dọc theo pin như trong Hình 5. Mặc dù nó không thể ngăn chặn sự xuất hiện hiện tượng thoát nhiệt cục bộ trong từng pin nhưng nó có thể ngăn chặn hiệu quả sự lây lan của hiện tượng thoát nhiệt cục bộ trong gói pin. Li Haoliang và cộng sự. đã thiết kế hệ thống chặn lan truyền nhiệt và hệ thống điều khiển tích hợp dựa trên khí trơ và chất làm lạnh hỗn hợp. Dựa trên sơ đồ phân tán nhiệt và gia tốc gia nhiệt, ngưỡng được đặt cho hệ thống chặn. Thử nghiệm cho thấy nó có thể ngăn chặn sự truyền nhiệt một cách hiệu quả khi bộ pin quá nóng cục bộ.
4. Kết luận
Bài viết tổng hợp tài liệu về cơ chế kích hoạt, nguyên nhân và quản lý giám sát an toàn hiện tượng thoát nhiệt trong pin năng lượng lithium-ion.
(1) Trong nghiên cứu về cơ chế thoát nhiệt, người ta đã phân tích độ ổn định nhiệt và định luật giải phóng nhiệt của các thành phần chính của pin lithium-ion và nguyên tắc của các quá trình giải phóng nhiệt phản ứng như phân hủy chất điện phân, phân tách, vật liệu hoạt động của pin và chất kết dính chủ yếu đã được giải thích.
(2) Trong nghiên cứu về các yếu tố kích hoạt hiện tượng thoát nhiệt, các đặc điểm và nguyên nhân của các tình trạng kích hoạt khác nhau đã được phân loại và tóm tắt, cụ thể là lạm dụng cơ học, lạm dụng điện và thoát nhiệt pin do lạm dụng nhiệt.
(3) Về mặt ngăn ngừa và giám sát hiện tượng thoát nhiệt, bài viết này trình bày chi tiết nghiên cứu nâng cao tính an toàn của hiện tượng thoát nhiệt của pin điện lithium-ion từ ba khía cạnh: thiết kế tối ưu hóa pin lithium-ion, tối ưu hóa hệ thống pin điện và hệ thống cảnh báo giám sát và quản lý nhiệt pin.
Mặc dù đã đạt được tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu về sự thoát nhiệt ở pin lithium-ion, nhưng vẫn còn những khoảng trống trong một số lĩnh vực nghiên cứu. Nghiên cứu về tác động của lão hóa đến độ an toàn do sự chồng chất của thời gian chu kỳ trên pin lithium-ion mới chỉ bắt đầu trong những năm gần đây, đặc biệt nghiên cứu thực nghiệm về quá trình lão hóa và cơ chế ổn định nhiệt vẫn còn tương đối khan hiếm. Đồng thời, chỉ có một số nghiên cứu thực nghiệm về dự đoán và mô hình hóa sự lan truyền của ngọn lửa sau khi xảy ra hiện tượng thoát nhiệt và vẫn còn thiếu phân tích mô phỏng số về sự lan truyền của ngọn lửa. Có thể thấy, việc quản lý an toàn hiện tượng thoát nhiệt trong pin điện lithium-ion vẫn đang trong giai đoạn phát triển, đặc biệt là theo hướng cảnh báo và ngăn chặn cần được nghiên cứu thêm.