Điểm mấu chốt:
- Tỷ lệ và hoạt động: Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi cho mật độ năng lượng cao và không có hiệu ứng bộ nhớ. Chúng hoạt động thông qua chuyển động đảo ngược của các ion lithium giữa cực âm và cực dương.
- Nguyên nhân thất bại: Những lý do phổ biến cho sự cố pin bao gồm bay hơi điện phân hữu cơ, tan chảy phân tách, giải phóng oxy, sạc không kiểm soát được, sạc nhanh ở nhiệt độ thấp, phóng điện hoàn toàn và khiếm khuyết sản xuất.
- Chiến lược phòng ngừa: Đảm bảo tuổi thọ pin đòi hỏi phải sử dụng các tế bào chất lượng cao, thiết kế bộ pin hiệu quả và hệ thống quản lý pin đáng tin cậy (BMS).
- Tầm quan trọng và tính năng của BMS: Một BM là rất quan trọng để theo dõi điện áp, nhiệt độ và cân bằng tế bào. Nó nên tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn như UL 1642 và IEC 62133 cho các ô và UL 991 hoặc UL 1998 cho phần mềm BMS.
Pin lithium-ion là tất cả xung quanh chúng ta, cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo của chúng ta.
Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ khám phá những điều cơ bản của các pin này, bao gồm cách chúng hoạt động, lợi ích của chúng, nguyên nhân thất bại phổ biến và phương pháp phòng ngừa.
Tại sao sử dụng pin lithium-ion?
Pin lithium-ion đã trở nên phổ biến do mật độ năng lượng cao của chúng. Chúng là vượt trội so với pin hydride-axit, niken-cadmium và niken-kim loại ở cả mật độ năng lượng dựa trên khối lượng và khối lượng.
Việc chuyển đổi từ pin nicken-cadmium sang pin hydride kim loại niken đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi pin lithium-ion. Những pin này không chỉ cung cấp mật độ năng lượng cao nhất mà còn không có hiệu ứng bộ nhớ. Điều này có nghĩa là năng lực của họ không bị ảnh hưởng bởi một khoản phí hoặc phóng điện đầy đủ hoặc một phần.
Bên cạnh đó, pin lithium-ion có độc tính thấp. Đặc biệt là pin lithium sắt photphat, chúng không chứa kim loại nặng như coban. Ngoài ra, chúng có tuổi thọ dài hơn các hóa chất thay thế, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng khác nhau.
Pin lithium-ion hoạt động như thế nào?
Để hiểu được những lo ngại về an toàn xung quanh pin lithium-ion, điều quan trọng là phải nắm bắt cách chúng hoạt động. Giống như bất kỳ tế bào điện hóa nào, pin lithium-ion bao gồm cực âm và cực dương. Cathode thường chứa muối lithium, chẳng hạn như lithium oxit hoặc lithium phosphate, trong khi cực dương thường được làm bằng than chì.
Khi bạn sạc pin lithium-ion, các ion lithium (được biểu thị bằng các chấm đen) di chuyển từ muối oxit lithium sang cực dương than chì. Chuyển động này, được gọi là xen kẽ, không liên quan đến sự tương tác trực tiếp giữa các ion và các electron. Thay vào đó, các electron chảy từ cực âm đến cực dương, nơi chúng phản ứng với carbon trong than chì.
Điều đáng nói là không giống như pin kim loại lithium, không thể điều chỉnh lại, pin lithium-ion cho phép sự xen kẽ có thể đảo ngược của các ion lithium. Sự đổi mới đột phá này đã trao tặng John Goodenough và Stan Winningham Giải thưởng hóa học Nobel. Các ion lithium trải qua quá trình khuếch tán thông qua một chất điện phân hữu cơ, cho phép chuyển động qua lại của chúng giữa cực dương và cực âm.
Trong phần sau, chúng tôi sẽ đào nhiều hơn vào chất điện phân hữu cơ và chức năng của nó trong việc hỗ trợ hoạt động trơn tru của pin lithium-ion.
LCO, LMO, NCA
Hãy bắt đầu bằng cách thảo luận về cực âm và muối lithium thường được sử dụng trong pin lithium-ion. Lần đầu tiên chúng tôi nghiên cứu là lithium coban oxit, được phổ biến rộng rãi trong máy tính xách tay, công cụ điện và điện thoại di động. Khi pin xả, lithium tách ra khỏi oxit coban lithium, giải phóng một electron đi qua bộ sạc đến cực dương. Quy trình này để lại oxit coban trên cực âm.
Một loại muối khác được sử dụng làm vật liệu catốt là oxit mangan lithium. Loại cực âm này được sử dụng trong Nissan Leaf và cũng có thể được tìm thấy trong các mô hình Tesla khác nhau như Model S, Model 3 và Model X.
Cuối cùng, chúng ta có oxit nhôm coban niken lithium, cung cấp công suất năng lượng cao nhất trên mỗi khối lượng và khối lượng.
Nguyên nhân của sự cố pin Li-ion
Để ngăn chặn sự cố pin Li-ion, điều quan trọng là phải nhận thức được các yếu tố có thể dẫn đến các vấn đề như vậy. Hãy cùng xem xét kỹ hơn một số nguyên nhân phổ biến.
Bay hơi điện phân hữu cơ
Nếu pin Li-ion quá nóng, chất điện phân hữu cơ bên trong có thể bay hơi. Sự bay hơi này làm tăng áp suất và nhiệt độ trong tế bào. Do đó, pin có thể phình ra, cho thấy sự hiện diện của các điều kiện nguy hiểm.
Phân tách tan chảy
Pin Li-ion thường sử dụng một thiết bị phân tách làm từ polyetylen hoặc polypropylen. Khi tiếp xúc với nhiệt độ khoảng 80 độ C; Sự nóng chảy của thiết bị phân tách cho phép cực dương và cực âm tiếp xúc, dẫn đến một ngắn mạch bên trong và tạo ra nhiệt bổ sung.
Giải phóng oxy và phản ứng không kiểm soát được
Khi pin Li-ion đạt đến nhiệt độ cao, oxy có trong các vật liệu catốt như lithium cobalt oxit, oxit mangan lithium hoặc oxit nhôm niken lithium có thể được giải phóng. Oxy giải phóng này có thể phản ứng với chất điện phân bay hơi, gây ra các phản ứng hóa học không được kiểm soát. Các mạch ngắn liên tục làm trầm trọng thêm tình hình, làm cho nó rất quan trọng để giải quyết nó kịp thời.
Phí không kiểm soát được
Việc sạc quá mức pin hoặc chịu một điện tích không được kiểm soát có thể dẫn đến sự hình thành kim loại lithium trên cực dương. Các electron dư thừa kết hợp với các ion lithium, tạo thành các sợi nhánh phát triển thông qua chất điện phân và vào cực âm. Những sợi nhánh này có thể tạo ra các mạch ngắn nội bộ, gây ra rủi ro nghiêm trọng.
Sạc nhanh và nhiệt độ thấp
Sạc pin ở dòng điện rất cao hoặc nhiệt độ thấp có thể cản trở sự di chuyển của các ion lithium vào cực dương. Do đó, sự dư thừa của các electron có thể tích lũy trên cực dương, gây ra mạ kim loại lithium và các mạch ngắn bên trong tiềm năng.
Hoàn toàn xả thải
Tránh xả hoàn toàn một tế bào lithium-ion. Việc làm hỏng quá mức có thể làm cho bộ thu đồng trên cực dương hòa tan vào chất điện phân. Khi sạc lại, đồng có thể cải tổ, nhưng không phải trong cấu trúc giống như lá ban đầu của nó. Điều này có thể dẫn đến mạ đồng và dẫn đến một ngắn mạch bên trong.
Sản xuất và ô nhiễm tế bào kém
Lỗi pin Li-ion cũng có thể xảy ra do lỗ hổng sản xuất hoặc sự hiện diện của tạp chất trong quá trình sản xuất. Những tạp chất này có thể đưa các chất gây ô nhiễm hoặc hạt vào pin, dẫn đến các mạch ngắn bên trong hoặc các phản ứng không mong muốn giúp đẩy nhanh sự suy giảm công suất.
Bằng cách hiểu và giải quyết các nguyên nhân của sự cố pin Li-ion này, chúng ta có thể làm việc để tăng cường an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của pin trong các ứng dụng khác nhau.
Ngăn ngừa mất pin
Ngăn chặn các vấn đề trong ngành công nghiệp pin là rất quan trọng cho sự tăng trưởng và thành công liên tục của nó. Có ba bước chính có thể được thực hiện để giảm thiểu hiệu quả sự xuất hiện của các vấn đề.
Đầu tiên và quan trọng nhất, đảm bảo chất lượng của các tế bào pin là vô cùng quan trọng. Với sự mở rộng nhanh chóng của ngành công nghiệp, nhiều cơ sở sản xuất tế bào, đặc biệt là ở Trung Quốc, đã xuất hiện. Điều quan trọng là phải lựa chọn cẩn thận các tế bào chất lượng cao từ các nhà sản xuất có uy tín. Một số cơ sở tự hào với các quy trình tự động công nghệ cao, hàng đầu, trong khi những người khác có thể không đáp ứng các tiêu chuẩn tương tự. Sự lựa chọn chất lượng tế bào ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy tổng thể.
Thiết kế của bộ pin cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự cố. Các bộ pin bao gồm nhiều ô được sắp xếp theo cấu hình nối tiếp và song song, tạo ra điện áp và công suất hiện tại mong muốn. Khi thiết kế một gói, điều cần thiết là phải xem xét tản nhiệt hiệu quả trong trường hợp các sự kiện không lường trước được. Hiểu cách gói sẽ phản ứng với các vấn đề tế bào tiềm năng là rất quan trọng để duy trì sự an toàn. Hơn nữa, nếu hệ thống yêu cầu cung cấp một lượng lớn dòng điện, đảm bảo phân phối hiệu quả thông qua các tiếp điểm đáng tin cậy và bảng mạch trở thành tối quan trọng.
Ở mấu chốt của tất cả là Hệ thống quản lý pin (BMS). Thiết bị này đóng vai trò là người bảo vệ pin, liên tục theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ để đảm bảo các tế bào hoạt động trong giới hạn an toàn. Trong bất kỳ gói pin lithium-ion nào, sự hiện diện của BMS tích hợp hoặc bên ngoài là rất quan trọng để bảo vệ các tế bào. BMS không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tăng cường tuổi thọ của pin. Cho rằng pin lithium-ion có thể vượt qua các thiết bị lưu trữ thông thường bằng một biên độ đáng kể, bắt buộc phải ưu tiên bảo vệ chúng đối với việc sử dụng lâu dài.
Ngăn chặn các vấn đề trong ngành công nghiệp pin đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến chất lượng tế bào, thiết kế gói và thực hiện một hệ thống quản lý pin đáng tin cậy. Các biện pháp tập thể này góp phần vào sự an toàn và độ bền chung của pin lithium-ion, cho phép ngành công nghiệp phát triển mạnh trong khi giảm thiểu rủi ro tiềm ẩn.
Tầm quan trọng của hệ thống quản lý pin
Hệ thống quản lý pin (BMS) đóng một vai trò quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin. Chức năng chính của nó là đảm bảo rằng pin hoạt động trong giới hạn an toàn. Nếu BMS phát hiện bất kỳ bất thường hoặc vượt quá giới hạn tế bào, nó có khả năng làm gián đoạn quá trình sạc hoặc xả.
Nói một cách đơn giản hơn, BMS theo dõi các dấu hiệu quan trọng của pin. Nó liên tục kiểm tra các mức điện áp, dòng điện và nhiệt độ để đảm bảo mọi thứ hoạt động đúng. Nếu nó phát hiện bất kỳ vấn đề nào, chẳng hạn như nhiệt quá mức hoặc điện áp không đều, nó có thể có hành động để bảo vệ pin.
Một trong những nhiệm vụ chính của BMS là ngăn chặn quá mức hoặc quá tải pin. Việc sạc quá mức có thể gây ra thiệt hại cho các tế bào pin và giảm tuổi thọ của chúng, trong khi quá mức có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất. BMS đảm bảo rằng pin nhận được lượng điện tích thích hợp và ngăn không cho nó quá đầy hoặc quá trống.
Hãy nghĩ về BMS là người bảo vệ pin. Nó luôn luôn được theo dõi, sẵn sàng bước vào và bảo vệ pin khỏi bị tổn hại tiềm năng. Bằng cách giám sát và điều chỉnh các thông số của pin, BMS giúp mở rộng tuổi thọ tổng thể của nó và duy trì hiệu suất tối ưu.
Những tính năng nào nên có mặt trên BMS?
Chúng tôi muốn chia sẻ ý kiến của tôi về các yêu cầu tối thiểu đối với BMS để đảm bảo sự bảo vệ và tuổi thọ của bộ pin.
Thứ nhất, bảo vệ điện áp là điều cần thiết. Nó rất quan trọng để ngăn chặn quá mức và quá mức của pin. Chúng ta cần duy trì phạm vi điện áp an toàn để tránh làm hỏng các tế bào và tối đa hóa tuổi thọ của chúng. Nhân tiện, chúng ta cũng nên xem xét việc ngăn chặn gói cung cấp các dòng điện vượt quá khả năng của nó, không chỉ ở cấp độ tế bào mà còn cho toàn bộ gói.
Bảo vệ nhiệt độ là một khía cạnh quan trọng khác. Khi nhiệt độ tăng quá cao, nó có thể dẫn đến rủi ro và thất bại tiềm tàng. Do đó, có các cơ chế để giám sát và kiểm soát nhiệt độ cao là rất quan trọng. Tương tự, điều quan trọng là phải có bảo vệ sạc nhiệt độ thấp để ngăn chặn các vấn đề như mạ kim loại lithium trên cực dương do điều kiện quá lạnh.
Hơn nữa, một tính năng hữu ích, mặc dù không hoàn toàn cần thiết, là khả năng cân bằng các ô trong một chuỗi. Các tế bào song song có chung dòng điện và điện áp, nhưng các tế bào trong chuỗi thì không. Để duy trì trạng thái điện tích đồng đều (SOC) giữa các tế bào, cần có cơ chế cân bằng hoặc khả năng chia sẻ hiện tại.
Cuối cùng, trong khi chúng tôi đã thảo luận về các tiêu chuẩn cụ thể cho thử nghiệm của bên thứ ba, điều đáng nói là có các tiêu chuẩn hiện có mà các phòng thí nghiệm thử nghiệm của bên thứ ba có thể sử dụng để đánh giá tuân thủ.
Tiêu chuẩn
Thường có sự nhầm lẫn liên quan đến các danh sách khác nhau cho các ô, bộ pin và hệ thống quản lý pin. Hãy để làm rõ mọi thứ một chút. Các tế bào lithium-ion có thể được kiểm tra và liệt kê theo tiêu chuẩn UL 1642 hoặc IEC 62133.
Mặt khác, bộ pin có danh sách riêng. Chúng có thể được liệt kê theo UL 2050 hoặc UL 1973, cả hai đều yêu cầu tuân thủ UL 1642 như một điều kiện tiên quyết. Điều quan trọng cần lưu ý là UL 1642 không phải là một danh sách gói mà là điều kiện tiên quyết cho các danh sách gói này.
Trong nỗ lực tạo ra một danh sách áp dụng cho cả hai ô và gói, IEC đã giới thiệu IEC 62133. Tuy nhiên, điều đáng nói là Hệ thống quản lý pin (BMS) cũng có danh sách riêng.
Đối với phần cứng, BMS có thể được liệt kê thành UL 991, trong khi đối với phần mềm, nó có thể được liệt kê thành UL 1998 hoặc IEC 60730-1. Điều quan trọng cần lưu ý là UL 991 và UL 1998 không phải là điều kiện tiên quyết cho danh sách UL 2054 hoặc UL 1973.
Tuy nhiên, nếu BMS của bạn không được liệt kê theo các tiêu chuẩn này, bạn sẽ cần tiến hành thử nghiệm bằng cách sử dụng các điều kiện lỗi để đảm bảo rằng ngay cả trong trường hợp thất bại, một tình huống nguy hiểm không được tạo ra.
Điều quan trọng cần nhớ là đây không phải là một danh sách đầy đủ các tiêu chuẩn, nhưng tôi muốn làm nổi bật sự tồn tại của chúng và cung cấp một số làm rõ.
Phần kết luận
Bằng cách hiểu nguyên tắc làm việc của pin lithium-ion và xem xét các yếu tố như chất lượng tế bào, thiết kế gói và hệ thống quản lý pin mạnh mẽ, chúng tôi có thể tăng cường độ tin cậy và độ tin cậy của pin. Tuân thủ các tiêu chuẩn liên quan và tiến hành thử nghiệm kỹ lưỡng thêm đóng góp vào việc sử dụng an toàn và hiệu quả của pin lithium-ion.
Với những tiến bộ liên tục trong công nghệ và tập trung vào an toàn, pin lithium-ion sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong thế giới điện khí hóa của chúng ta, cung cấp năng lượng cho các ứng dụng khác nhau trong khi giảm thiểu rủi ro.
Những bài viết liên quan:
