Kiểm tra đánh giá an toàn Pin Lithium theo EUCAR Hazard Level 0-7

Sơ lược về Pin Lithium

Pin Lithium đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho các thiết bị lưu trữ có thể sạc lại. Chúng phổ biến cho các hoạt động nghiên cứu của nhiều trường Đại học và được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế. Tuy nhiên đã xuất hiện các vụ cháy nổ và tai nạn liên quan đến loại pin Lithium này. Mặc dù vậy pin Lithium vẫn là giải pháp lưu trữ năng lượng hàng đầu và tiềm năng nhất hiện nay do đó rất nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích giảm thiểu rủi ro cháy, nổ đối với loại pin này. Bài phân tích sau đây được viết với mục đích cung cấp thêm thông tin về cấu tạo Pin Lithium và những yêu cầu thử nghiệm về nhiệt độ và độ ẩm để đánh giá mức độ an toàn của chúng theo EUCAR (European Council for Automotive R&D):

Pin Lithium là gì?

Pin Lithium là loại pin có mật độ năng lượng cao hơn so với các dòng pin/acquy cũ (cao hơn tới 100 lần). Chúng được phân loại thành hai nhóm: pin không sạc và pin sạc.

Pin lithium không sạc (non-rechargeable) có cấu tạo gồm các tế bào pin (cell) sử dụng một lần có chứa cực dương lithium kim loại. Trong ngành công nghiệp, pin không sạc được gọi chung là pin “Lithium”.

Pin lithium sạc (rechargeable) có cấu tạo bởi các tế bào pin có thể sạc lại chứa các cực dương, cực âm làm từ hợp chất Lithium. Pin Lithium có thể sạc lại thường được gọi là pin “Lithium-ion” – Li-ion.

Thỏi pin Li-ion (còn được gọi là Cell Pin – Battery Cell) có điện áp hoạt động (V) nằm trong khoảng từ 3,6–4,2V. Các ion Li di chuyển từ cực dương sang cực âm trong quá trình phóng điện. Các ion đảo ngược hướng trong quá trình sạc. Oxit kim loại hoặc Phốt-phát được phủ trên cực âm sẽ quy định “tính chất hóa học” của pin.

Pin Li-ion có chất điện phân thường là hỗn hợp của các hợp chất Cacbonat hữu cơ như Ethylene Cacbonat hoặc Di-etyl Cacbonat. Các đặc tính dễ bắt lửa (điểm bắt cháy) của các muối cacbonat phổ biến được sử dụng trong pin lithium-ion thay đổi từ 18 đến 145 độ C.

Nhiều cell pin được đóng thành Module; nhiều Module thành Pack (Battery Pack) và kết nối với nhau để cung cấp điện áp và công suất theo mong muốn. Kết nối cell pin dạng song song làm tăng cường độ dòng điện và khả năng phóng điện trong khi kết nối nối tiếp sẽ làm tăng điện áp của cục pin.

Hình ảnh các Cell Pin được ghép lại 

Các sự cố có thể gặp phải khi sử dụng Pin Li-ion

Các nguy cơ cháy do pin Li-ion thường liên quan đến mật độ năng lượng cao cùng với các chất điện phân hữu cơ dễ cháy. Điều này tạo ra những thách thức mới cho việc sử dụng, lưu trữ và vận chuyển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hư hỏng vật lý, sự cố về điện như đoản mạch và sạc quá mức và môi trường nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng nóng lên và giải phóng nhiệt. Điều này giải thích hiện tượng tự nóng một cách nhanh chóng do phản ứng hóa học tỏa nhiệt, có thể dẫn đến phản ứng dây chuyền toả nhiệt của cell pin bên cạnh. Các khiếm khuyết trong khâu sản xuất như thiếu sót và / hoặc bụi bẩn cũng có thể dẫn đến hiện tượng sinh nhiệt. Phản ứng làm bốc hơi chất điện phân hữu cơ và sinh ra áp suất cho lớp vỏ của cell pin. Nếu (hoặc khi) lớp vỏ hư hỏng, khí độc hại trong cell pin sẽ được giải phóng. Mức độ nghiêm trọng của hiện tượng phồng pin có liên quan một phần đến sự tích tụ và giải phóng áp suất từ bên trong của cell pin. Những cell pin có khả năng làm giảm áp suất (ví dụ có lỗ giảm áp hoặc vỏ dạng mềm) sẽ có phản ứng ít nghiêm trọng hơn so với các loại cell có tính chất giữ áp suất và dễ bị vỡ do áp suất cao. Do đó, cấu trúc của cell pin có thể là một biến số chính liên quan đến mức độ nghiêm trọng khi xuất hiện sự cố pin.

Mức độ nghiêm trọng của phản ứng pin lithium nói chung là một hàm số của các thông số bao gồm kích thước pin, thành phần hóa học, cấu tạo và trạng thái sạc pin (SOC). Trong phần lớn các phản ứng của pin lithium đều tạo ra các thành phần hợp chất nguy hiểm như: các chất dễ cháy (ví dụ khí ga, hơi và chất lỏng), khí độc và các mảnh vụn (một số có thể cháy), và trong hầu hết các trường hợp chất điện phân và vật liệu vỏ pin sẽ cháy mạnh cho đến hết.

Trong quá trình phản ứng sinh khói (sự thoát hơi của pin và chưa tạo ra ngọn lửa), các thành phần sinh ra chủ yếu các chất điện phân. Đối với hầu hết các loại pin, các chất sinh ra trong phản ứng bao gồm Carbon Dioxide (CO2), Carbon monoxide (CO), Hydro (H2) và Hydrocacbon (CxHx). Các khí này dễ cháy và có nguy cơ gây nổ.

Đối trường hợp phản ứng cháy, chất điện phân trong pin khi cháy kiệt tạo ra sản phẩm chủ yếu là Carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Phản ứng đốt cháy cũng có xu hướng giải phóng Flo khỏi muối Lithium (thường là LiPF6) hòa tan trong chất điện phân. Flo thường phản ứng với Hydro để tạo thành hydro Forua (HF). HF sản sinh cũng tỷ lệ thuận với năng lượng điện được lưu trữ trong cell pin và có thể đạt đến mức nồng độ nguy hiểm. HF sẽ kết hợp với hơi nước sinh ra trong quá trình phản ứng của pin hoặc kết hợp với màng nhầy trong bộ phận cơ thể người (như mắt, mũi, họng, phổi) để tạo axit Flohydric.

Các mức rủi roi nguy hiểm có thể xảy ra khi sử dụng pin Lithium như hình bên dưới.
Có các vấn đề như: cháy, nổ, thoát khí, rò rỉ chất điện phân, nứt vỡ vỏ pin...

Chính vì có những mối nguy hiểm cháy nổ của pin lithium mà Hội đồng Châu Âu về nghiên cứu và phát triển Ô tô (EUCAR) đã đã đưa ra những cấp độ nguy hiểm (Hazard level từ 0 đến 7) với Pin Lithium như bảng bên dưới:

Trong quá trình thử nghiệm với Pin Lithium có thể xuất hiện các tình huống xấu như cháy nổ, thoát khí, rò rỉ chất điện phân, nứt vỡ pin gây nguy hiểm đến người thử nghiệm. Vì vậy các hệ thống an toàn trong quá trình thử nghiệm Pin Lithium là vô cùng quan trọng.

Dưới đây là Tủ thử nghiệm môi trường/Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm cho Pin Lithium mà HUST Việt Nam đang cung cấp với đầy đủ cấu hình đáp ứng các mức độ nguy hiểm theo EUCAR Hazard level từ 0 đến 7:

Mục tiêu mà các nhà sản xuất Pin mong muốn và cố gắng đạt được cho Pin Lithium của mình là mức nguy hiểm không vượt quá 4.

Chúng ta cùng xem thiết bị an toàn nào là cần thiết cho hệ thống thử nghiệm tùy theo từng mức độ nguy hiểm mà EUCAR quy định.

Hình ảnh thực tế những trang bị an toàn này trên Tủ thử nghiệm nhiệt độ - độ ẩm mà HUST Việt Nam cung cấp:

Để được tư vấn cụ thể hơn, vui lòng liên hệ với HUST Việt Nam!

-----------------------------------------------

Tìm hiểu thêm:

Tủ thử nghiệm môi trường nhiệt độ - độ ẩm

Máy X-ray soi khuyết tật Pin

Các thiết bị thử nghiệm độ tin cậy của Cell Pin