Kiểm tra đánh giá an toàn Pin Lithium theo EUCAR Hazard Level 0-7
Pin Lithium đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho các thiết bị lưu trữ có thể sạc lại và được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu của nhiều trường Đại học và các ứng dụng thực tế. Mặc dù đây là giải pháp lưu trữ năng lượng hàng đầu và tiềm năng nhất hiện nay, nhưng cũng xuất hiện các vụ cháy nổ và tai nạn liên quan đến loại pin Lithium này. Để giải quyết vấn đề an toàn, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành với mục tiêu giảm thiểu rủi ro cháy và nổ đối với pin Lithium. Bài phân tích dưới đây của COMIT nhằm cung cấp thông tin chi tiết về cấu tạo của pin Lithium và các yêu cầu thử nghiệm liên quan đến nhiệt độ và độ ẩm, nhằm đánh giá mức độ an toàn của chúng theo tiêu chuẩn của European Council for Automotive R&D (EUCAR).
Pin Lithium là gì?
Pin Lithium là gì? Pin Lithium là một loại pin có mật độ năng lượng cao hơn đáng kể so với các dòng pin/acquy cổ điển (cao hơn đến 100 lần). Chúng được phân thành hai nhóm chính: pin không sạc và pin có thể sạc lại.
Pin lithium không sạc (non-rechargeable) được thiết kế với cấu trúc bao gồm các tế bào pin (cell) được sử dụng một lần, có chứa cực dương là kim loại lithium. Trong ngành công nghiệp, pin không sạc thường được gọi là pin “Lithium”.
Pin lithium có thể sạc lại (rechargeable) được tạo ra từ các tế bào pin có khả năng tái sử dụng, chứa các cực dương và cực âm được làm từ hợp chất Lithium. Pin Lithium có thể sạc lại thường được biết đến với tên gọi pin “Lithium-ion” – Li-ion.
Thỏi pin Li-ion (còn được gọi là Cell Pin – Battery Cell) có điện áp hoạt động nằm trong khoảng từ 3,6–4,2V. Trong quá trình phóng điện, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm, và trong quá trình sạc, chúng đảo ngược hướng. Tính chất hóa học của pin được quy định bởi oxit kim loại hoặc phốt-phát được phủ trên cực âm.
Chất điện phân của pin Li-ion thường là hỗn hợp các hợp chất cacbonat hữu cơdiv như Ethylene Cacbonat hoặc Di-ethyl Cacbonat. Đặc tính dễ bắt lửa của các muối cacbonat thông thường được sử dụng trong pin lithium-ion có thể thay đổi từ 18 đến 145 độ C.
Các tế bào pin được tổ chức thành module, nhiều module lại thành pack (Battery Pack), kết nối với nhau để cung cấp điện áp và công suất theo yêu cầu. Kết nối các tế bào pin theo kiểu song song tăng cường độ dòng điện và khả năng phóng điện, trong khi kết nối theo kiểu nối tiếp sẽ tăng điện áp của cục pin.
Một số sự cố có thể gặp phải khi sử dụng Pin Li-ion
Nguy cơ cháy nổ của pin Lithium-ion thường xuất phát từ mật độ năng lượng cao kết hợp với các chất điện phân hữu cơ dễ cháy, tạo nên một loạt thách thức trong quá trình sử dụng, lưu trữ và vận chuyển. Nghiên cứu đã chứng minh rằng hư hỏng vật lý, sự cố điện như đoản mạch, sạc quá mức, và môi trường nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng nóng lên và tỏa nhiệt trong cell pin. Hiện tượng này giải thích vì sao pin Lithium có thể tự nóng một cách nhanh chóng do các phản ứng hóa học tỏa nhiệt, tiềm ẩn rủi ro phản ứng dây chuyền toả nhiệt.
Các khiếm khuyết trong quá trình sản xuất, chẳng hạn như thiếu sót hoặc bụi bẩn, cũng có thể dẫn đến hiện tượng sinh nhiệt. Phản ứng này tạo áp suất cho lớp vỏ của cell pin do bốc hơi của chất điện phân hữu cơ. Trong trường hợp lớp vỏ bị hư hỏng, khí độc hại trong cell pin có thể được giải phóng. Mức độ nghiêm trọng của hiện tượng phồng pin phụ thuộc vào sự tích tụ và giải phóng áp suất từ bên trong cell pin. Các cell pin có khả năng giảm áp suất (ví dụ như có lỗ giảm áp hoặc vỏ dạng mềm) thường có phản ứng ít nghiêm trọng hơn so với các loại cell giữ áp suất và dễ vỡ do áp suất cao. Do đó, cấu trúc của cell pin đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ nguy hiểm của sự cố pin.
Mức độ nghiêm trọng của phản ứng pin Lithium-ion, nhìn chung, phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước pin, thành phần hóa học, cấu tạo, và trạng thái sạc pin (SOC). Trong phần lớn các phản ứng của pin Lithium-ion, các thành phần hợp chất nguy hiểm như khí ga, hơi, chất lỏng dễ cháy, khí độc và mảnh vụn có thể cháy. Trong trường hợp phản ứng sinh khói, các chất điện phân thường tạo ra các khí như Carbon Dioxide (CO2), Carbon monoxide (CO), Hydro (H2), và Hydrocarbon (CxHx), đều có nguy cơ cháy và gây nổ.
SOC là gì? SOC là viết tắt của “State of Charge,” một thuật ngữ được sử dụng trong lĩnh vực pin và hệ thống lưu trữ năng lượng. State of Charge thường được hiểu là mức độ nạp điện hiện tại của một pin hoặc hệ thống pin, được thể hiện dưới dạng phần trăm.
SOC là một thước đo quan trọng để biết mức độ năng lượng còn lại trong pin so với dung lượng tối đa có thể đạt được. Khi pin được nạp đầy, SOC là 100%, và khi pin hoàn toàn cạn kiệt năng lượng, SOC là 0%. Quản lý SOC là quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và tuổi thọ của pin, đặc biệt là trong các ứng dụng quan trọng như ô tô điện, thiết bị di động và các hệ thống lưu trữ năng lượng. Các hệ thống quản lý pin thường sử dụng thông tin về SOC để điều chỉnh quá trình sạc và xả pin, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của pin.
Trong trường hợp phản ứng cháy, chất điện phân trong pin khi cháy thường tạo ra sản phẩm chủ yếu là Carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Phản ứng đốt cháy cũng có thể giải phóng Flo từ muối Lithium (thường là LiPF6) hòa tan trong chất điện phân, tạo ra Hydrofluoric acid (HF), một chất độc hại. HF có thể kết hợp với hơi nước tạo thành acid fluorhydric trong quá trình phản ứng của pin, hoặc kết hợp với các màng nhầy trong cơ thể người (như mắt, mũi, họng, phổi), gây ra các vấn đề sức khỏe. Các mối rủi ro nguy hiểm khi sử dụng pin Lithium-ion bao gồm cháy, nổ, thoát khí, rò rỉ chất điện phân, và nứt vỡ vỏ pin.
