Làm thế nào để ngăn chặn vụ nổ pin lithium-Ion do thoát nhiệt?

Sự thoát nhiệt là một vấn đề tồn tại từ lâu đã làm khó các tập đoàn lớn như Tesla , SAMSUNG , Và Boeing và nhỏ như nhau.

Chiếc Dreamliner 787 của Boeing, được Boeing quảng cáo là tiết kiệm nhiên liệu 20%, đã bị cấm bay vào năm 2013. Cùng năm đó, Model S của Tesla bị liên bang điều tra an toàn sau khi bốc cháy ít nhất 3 lần. Năm ngoái Samsung đã thu hồi 2,5 triệu chiếc Galaxy Note 7.

Đối với cả ba công ty đều là những công ty hàng đầu trong lĩnh vực của họ, vấn đề đều giống nhau – pin Lithium-Ion được lắp ở trung tâm sản phẩm của họ làm nguồn điện. Pin lithium-ion lắp trên Tesla Model S, Dreamliner 787 và Galaxy Note 7 phát nổ liên tục.

Tại sao pin Lithium Ion lại phát nổ bất ngờ?

Pin lithium ion là loại pin được sử dụng nhiều nhất trong một số ngành công nghiệp, nhưng bạn có biết điều gì khiến chúng trở nên nguy hiểm không? Nếu bạn là nhà nghiên cứu làm việc với pin Li-ion, bạn sẽ biết rằng một trong những lý do chính khiến hầu hết pin lithium-ion phát nổ là do thoát nhiệt.

Sự thoát nhiệt là gì và tại sao nó là nguyên nhân hàng đầu gây nổ pin?
Trong pin Lithium-ion, cực âm và cực dương được ngăn cách bằng một lớp phân cách polyetylen mỏng – đôi khi có kích thước 10 micron. Khi dải phân cách này bị vỡ, hiện tượng đoản mạch sẽ xảy ra và bắt đầu quá trình gọi là thoát nhiệt.

Sự thoát nhiệt thường xảy ra trong quá trình sạc. Nhiệt độ nhanh chóng tăng lên đến điểm nóng chảy của kim loại lithium và gây ra phản ứng dữ dội.

Một lý do chính khác đằng sau sự thoát nhiệt là các hạt kim loại cực nhỏ khác tiếp xúc với các bộ phận khác nhau của pin (điều này luôn xảy ra trong quá trình lắp ráp pin), dẫn đến đoản mạch.

Thông thường, một sự cố ngắn mạch nhẹ có thể gây ra hiện tượng tự phóng điện tăng cao và sinh ra ít nhiệt do năng lượng phóng điện rất thấp. Tuy nhiên, khi đủ các hạt kim loại cực nhỏ hội tụ tại một điểm, một sự cố chập điện lớn có thể xảy ra và một dòng điện khá lớn sẽ chạy giữa các bản dương và bản âm.

Điều này làm cho nhiệt độ tăng lên, dẫn đến sự thoát nhiệt, còn được gọi là 'thoát khí bằng ngọn lửa'.

Trong quá trình thoát nhiệt, nhiệt độ cao của tế bào bị hỏng có thể truyền sang tế bào tiếp theo, khiến nó trở nên không ổn định về nhiệt. Trong một số trường hợp, một phản ứng dây chuyền xảy ra trong đó mỗi tế bào phân hủy theo thời gian biểu riêng của nó.

Tại sao vụ nổ pin Li-Ion lại là vấn đề lớn đối với tất cả mọi người?

Điện thoại thông minh trong túi của bạn được cấp nguồn bởi một Pin Li-Ion . Chúng là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất dành cho thiết bị điện tử cầm tay vì mật độ năng lượng cao, hiệu ứng bộ nhớ nhỏ và khả năng tự phóng điện thấp.

Ngoài các thiết bị điện tử tiêu dùng, pin Lithium Ion còn phổ biến cho các ứng dụng quân sự, xe điện và hàng không vũ trụ. Ví dụ, pin lithium ion đã thay thế pin axit-chì thông thường vốn được sử dụng cho xe golf và các phương tiện tiện ích trước đây.

Quy mô Thị trường Pin Lithium-Ion Toàn cầu dự kiến ​​​​đạt 46,21 tỷ USD vào năm 2022, với tốc độ CAGR là 10,8% trong giai đoạn 2016-2022.

Đối với một thứ đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta với tốc độ nhanh như vậy, chúng ta thực sự sẽ mạo hiểm mạng sống của mình khi có những cục pin này xung quanh mình.

Với các ứng dụng của chúng, chúng không dễ dàng thay thế được nhưng nếu vấn đề thoát nhiệt có thể được giải quyết, sự cân bằng sẽ được khôi phục trên thiên đường.

Làm thế nào chúng ta có thể ngăn chặn sự thoát nhiệt trong Pin Lithium Ion ?

1. Giới thiệu chất chống cháy
Sự thoát nhiệt thường xảy ra do bị thủng và sạc không đúng cách. Để chống lại nguy cơ hỏa hoạn như vậy, các nhà phát minh đã sử dụng chất lỏng truyền nhiệt có chứa chất chống cháy.

Chất chống cháy là hợp chất có tác dụng ức chế, ngăn chặn hoặc trì hoãn việc tạo ra ngọn lửa hoặc ngăn chặn sự lan rộng của lửa.

Tại đây, họ đã đóng gói chất chống cháy siêu nhỏ (thường là hợp chất brom) trong polyetylen mật độ cao, thêm nước và hợp chất glycol để chuẩn bị chất lỏng truyền nhiệt được sử dụng. Hợp chất glycol được sử dụng ở đây là “chất chống đông” (các hợp chất glycol phổ biến được sử dụng là ethylene glycol, diethylene glycol và propylene glycol).

Ngoài ra, phát minh này chủ yếu được thảo luận liên quan đến pin xe điện. Pin khi được yêu cầu cung cấp năng lượng cho xe điện sẽ nóng lên. Chất lỏng nhiệt chảy qua thùng chứa và qua các mô-đun của pin.

Trong trường hợp sạc quá mức hoặc tai nạn ô tô dẫn đến thủng pin, chất chống cháy trong chất lỏng truyền nhiệt có tác dụng giảm nguy cơ hỏa hoạn. Chính xác hơn, các vi nang hợp chất brom vỡ ra khi đạt đến nhiệt độ vỡ do nhiệt quá cao của ngọn lửa. Chất chống cháy được giải phóng khỏi các viên nang siêu nhỏ và có tác dụng kiểm soát ngọn lửa.

2. Sử dụng thiết bị gây thiệt hại
Các nhà quản lý của Đại học California dường như khá tích cực trong việc nghiên cứu cách giải quyết vấn đề thoát nhiệt.

Năm 2006, họ đã nộp bằng sáng chế liên quan đến chất điện phân polyme mô đun đàn hồi cao thích hợp để ngăn chặn sự thoát nhiệt (US8703310). Một nhóm nhà phát minh khác đã nộp bằng sáng chế này (tức là US'535) vào năm 2013, về việc giảm thiểu sự thoát nhiệt bằng cách sử dụng các vật liệu hoặc thiết bị gây hư hỏng.

Chính xác hơn, họ đã phát triển một cơ chế tắt hiện tượng thoát nhiệt có thể được kích hoạt bằng cơ học hoặc bằng nhiệt (hoặc cả hai), khi pin xảy ra hư hỏng (tức là trước hoặc ngay sau khi quá trình thoát nhiệt bắt đầu) và xử lý sự cố trước khi nó kịp bắt đầu. .

Các biện pháp đối phó mang tính dự đoán hoặc tức thời như vậy đặc biệt cần thiết khi pin chịu tác động hoặc áp suất cao (như một tai nạn như tôi đã đề cập đối với bằng sáng chế US'886 trước đó) và cấu trúc bên trong của pin bị hư hỏng, gây chập mạch bên trong.

Nguyên tắc cơ bản mà nó hoạt động là – khi một tải cơ học được áp vào pin, những tác nhân gây hư hỏng có thể gây ra hư hỏng trên diện rộng hoặc phá hủy điện cực để điện trở trong tăng đáng kể nhằm giảm thiểu sự thoát nhiệt ngay cả trước khi điều đó có thể xảy ra.

Ở đây họ đã nói về hai loại tác nhân gây thiệt hại –

Kích hoạt sát thương thụ động

Những chất khởi tạo này bắt đầu tạo ra vết nứt hoặc mất hiệu lực trong các điện cực khi va chạm, và các vết nứt và/hoặc khoảng trống đó làm tăng trở kháng bên trong của điện cực và do đó làm giảm sự sinh nhiệt liên quan đến khả năng chập mạch bên trong có thể xảy ra. Các chất phụ gia như vậy được gọi là chất tạo vết nứt hoặc lỗ rỗng (CVI).

Hư hỏng điện cực có thể do sự mất liên kết hoặc độ cứng không khớp của các bề mặt điện cực CVI, vết nứt và đứt CVI, v.v. Ví dụ về các chất phụ gia thụ động bao gồm các hạt rắn hoặc xốp, sợi rắn hoặc rỗng/xốp và ống, v.v. và chúng có thể được hình thành từ các vật liệu cacbon như than chì, ống nano cacbon, than hoạt tính, than đen, v.v..

Kích hoạt sát thương

Những chất khởi tạo này có thể tạo ra sự thay đổi thể tích hoặc hình dạng đáng kể khi chịu tải cơ học hoặc nhiệt. Các chất gây hư hỏng chủ động có thể bao gồm các hạt rắn hoặc xốp, các hạt rắn hoặc rỗng, các sợi và ống rắn hoặc rỗng/xốp, v.v. Các chất gây hư hỏng chủ động có thể được hình thành từ các hợp kim nhớ hình dạng như Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, v.v.

Các hóa chất được giải phóng trong quá trình sự thoát nhiệt có thể độc hại và trong những trường hợp nghiêm trọng, sự thoát nhiệt có thể gây cháy điện và/hoặc nổ pin. Nhiệt độ không khí xung quanh trong môi trường pin cũng phải được duy trì đúng cách. Việc kiểm soát các yếu tố này làm giảm khả năng sự thoát nhiệt .

nguồn:https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/