Hiện tượng quá nhiệt của pin lithium-ion và phân tích vật liệu

Hiện nay, nhiều hãng xe đang sử dụng pin lithium trên quy mô lớn trong các loại pin năng lượng, và mật độ năng lượng ngày càng cao, nhưng người ta vẫn còn lo ngại về vấn đề an toàn của pin năng lượng, và đây chưa phải là giải pháp tốt cho vấn đề an toàn pin. Hiện tượng quá nhiệt (thermal runaway) là đối tượng nghiên cứu chính về an toàn pin năng lượng, và rất đáng được quan tâm.

Trước hết, chúng ta hãy hiểu thế nào là hiện tượng quá nhiệt. Quá nhiệt là một hiện tượng phản ứng dây chuyền được kích hoạt bởi nhiều tác nhân khác nhau, dẫn đến việc pin tỏa ra một lượng nhiệt lớn và phát ra khí độc hại trong một thời gian ngắn, thậm chí có thể gây cháy và nổ pin trong trường hợp nghiêm trọng. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng quá nhiệt, chẳng hạn như quá nhiệt, sạc quá mức, đoản mạch bên trong, va chạm, v.v. Hiện tượng quá nhiệt của pin thường bắt đầu từ sự phân hủy lớp màng SEI âm trong ngăn pin, tiếp theo là sự phân hủy và nóng chảy của màng ngăn, dẫn đến sự phân hủy cả điện cực âm và chất điện phân, sau đó là sự phân hủy cả điện cực dương và chất điện phân, từ đó gây ra đoản mạch bên trong trên diện rộng, khiến chất điện phân bị cháy, sau đó lan sang các ngăn khác, gây ra hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng và khiến toàn bộ khối pin tự bốc cháy.

Nguyên nhân gây ra hiện tượng quá nhiệt có thể được chia thành nguyên nhân bên trong và nguyên nhân bên ngoài. Nguyên nhân bên trong thường do đoản mạch bên trong; nguyên nhân bên ngoài là do tác động cơ học, tác động điện, tác động nhiệt, v.v.

Ngắn mạch bên trong, là sự tiếp xúc trực tiếp giữa cực dương và cực âm của pin, có mức độ tiếp xúc và phản ứng gây ra rất khác nhau. Thông thường, ngắn mạch bên trong nghiêm trọng do tác động cơ học và nhiệt độ quá mức sẽ trực tiếp gây ra hiện tượng quá nhiệt. Ngược lại, các ngắn mạch bên trong tự phát sinh thường nhỏ hơn, và lượng nhiệt sinh ra rất nhỏ nên không ngay lập tức gây ra hiện tượng quá nhiệt. Sự tự phát sinh bên trong thường bao gồm các lỗi sản xuất, sự suy giảm các đặc tính khác nhau do sự lão hóa của pin, chẳng hạn như tăng điện trở trong, sự lắng đọng kim loại lithium do sử dụng sai cách nhẹ trong thời gian dài, v.v. Theo thời gian, nguy cơ ngắn mạch bên trong do các nguyên nhân bên trong như vậy sẽ dần tăng lên.

Lạm dụng cơ học đề cập đến sự biến dạng của các thành phần pin lithium và cụm pin dưới tác động của lực bên ngoài, cũng như sự dịch chuyển tương đối của các bộ phận khác nhau bên trong. Các hình thức chính gây hại cho pin bao gồm va chạm, ép và đâm thủng. Ví dụ, một vật lạ va chạm trực tiếp với xe ở tốc độ cao có thể dẫn đến sự sụp đổ của màng ngăn bên trong pin, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin và dẫn đến tự bốc cháy trong thời gian ngắn.

Việc lạm dụng điện đối với pin lithium thường bao gồm ngắn mạch ngoài, sạc quá mức, xả quá mức dưới nhiều hình thức, trong đó nhiều khả năng dẫn đến hiện tượng quá nhiệt do sạc quá mức. Ngắn mạch ngoài xảy ra khi hai dây dẫn có điện áp chênh lệch được kết nối bên ngoài pin. Ngắn mạch ngoài trong các bộ pin có thể do biến dạng gây ra bởi va chạm xe, ngâm nước, nhiễm bẩn dây dẫn hoặc điện giật trong quá trình bảo dưỡng. Thông thường, nhiệt lượng tỏa ra từ ngắn mạch ngoài không làm nóng pin như khi bị thủng. Mối liên hệ quan trọng giữa ngắn mạch ngoài và hiện tượng quá nhiệt là nhiệt độ đạt đến điểm quá nóng. Khi nhiệt lượng sinh ra do ngắn mạch ngoài không được tản nhiệt tốt, nhiệt độ pin tăng lên và nhiệt độ cao gây ra hiện tượng quá nhiệt. Do đó, ngắt dòng điện ngắn mạch hoặc tản nhiệt dư thừa là những cách để ngăn chặn ngắn mạch ngoài gây ra thêm hư hại. Sạc quá mức, do chứa nhiều năng lượng, là một trong những mối nguy hiểm cao nhất của việc lạm dụng điện. Việc sinh nhiệt và khí là hai đặc điểm phổ biến của quá trình sạc quá mức. Nhiệt lượng sinh ra đến từ nhiệt điện trở và các phản ứng phụ. Thứ nhất, các nhánh tinh thể lithium phát triển trên bề mặt cực dương do sự tích tụ lithium quá mức.