Tại sao pin lithium-ion của xe điện lại phát nổ, công nghệ có thể ngăn ngừa được không?

Tác giả ：Iflowpower – Nhà cung cấp trạm điện di động

Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên mới của cuộc cách mạng năng lượng, nhưng khi chúng ta tiếp tục bỏ qua tương lai tươi đẹp của năng lượng điện, thì sẽ không lo lắng, pin lithium-ion có an toàn không? Tai nạn nổ do pin xe điện gây ra: Tại sao Xinhua.com cảm thấy thường xuyên trong những năm gần đây? Cho dù đó là xe điện hay trạm điện lưu trữ, bạn không thể tách rời khỏi một thiết bị quan trọng - pin. Hầu như tất cả các loại xe điện và hơn 70% các nhà máy điện lưu trữ năng lượng hóa học đều sử dụng pin lithium ion, loại pin được sử dụng trong điện thoại di động và máy tính xách tay của chúng ta.

Vì pin lithium-ion vượt trội hơn về khả năng di chuyển của năng lượng điện nên sự phát triển của thời đại thông tin của chúng ta được thúc đẩy. Do đó, có ba nhà khoa học đã có đóng góp cho sự phát triển của công nghệ pin lithium-ion để giành Giải thưởng Nobel Hóa học. Nhờ sự phát triển của pin lithium-ion, bối cảnh sử dụng rất gần, điện thoại di động, máy ảnh và tai nghe Bluetooth của chúng ta hẳn là vậy, nhưng tại sao lại áp dụng cho ô tô điện, pin lithium-ion đã xảy ra nhiều tai nạn như vậy? Đây thực chất là một vấn đề xác suất.

Ví dụ, một cục pin nhập khẩu dùng cho một chiếc xe điện nhập khẩu chỉ tốn một triệu, nhưng phải lắp 8.000 cục pin như vậy trên một chiếc xe, tương đương với việc phải lắp 10.000 cục pin để lắp cho 1.250 chiếc xe điện. Nghĩa là về mặt lý thuyết 1.250 xe điện, có một cục pin trong xe có thể xảy ra tai nạn. Nếu tai nạn này thuộc về tình trạng cháy pin hoặc nổ ở mức độ nào đó thì có thể gây ra phản ứng dây chuyền làm pin xung quanh bị cháy, từ đó gây ra tai nạn cháy xe điện.

Tương tự như vậy đối với chỗ ở trong trạm điện lưu trữ năng lượng, so với xe điện để lưu trữ 50 đến 100 độ, thân bình chứa pin thường có thể lưu trữ 1000 độ, và một trạm điện lưu trữ năng lượng cỡ trung bình thường có hàng chục chục bộ sưu tập bình chứa pin lưu trữ năng lượng như vậy. Được biết, việc sử dụng loại pin có kích thước lớn như vậy thỉnh thoảng mới xảy ra. Mặt khác, việc đốt cháy xe điện và nhà máy điện lưu trữ năng lượng, hậu quả của các vụ tai nạn nổ rõ ràng nghiêm trọng hơn nhiều so với pin điện thoại di động và các biện pháp phòng cháy chữa cháy hiện nay hầu như là không thể thực hiện được.

Tất nhiên, chúng ta không thể bỏ qua tin tức này vì tin tức này lan truyền rất nhanh và những vụ việc nghiêm trọng gây thương vong đã gây ra tác động xã hội lớn. Tại sao pin lithium-ion lại cháy hoặc thậm chí phát nổ? Pin lithium-ion là một thành phần chứa nhiều linh kiện, trong đó quan trọng nhất là điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân và màng ngăn. Sau khi sạc, cực dương của nó thường là oxit kim loại chuyển tiếp, có khả năng chống oxy hóa mạnh; cực âm được nhúng trong một lượng lớn lithium, có tính khử rất mạnh.

Chất điện phân thường là este hữu cơ, có đặc điểm là nhiệt độ nóng chảy thấp và dễ cháy. Điều quan trọng cần lưu ý là pháo trong cuộc sống của chúng ta cũng là một thiết bị hiểu các thành phần có chứa thuốc súng thành một loại than củi lưu huỳnh (sulfur, công thức hóa học s) diit (đá, loại hóa học KNO3) ba, trong đó nitrosite là chất oxy hóa mạnh, lưu huỳnh và than củi là chất khử. Sau khi bên ngoài chịu tác động kích thích trên 120 độ, phản ứng oxy hóa khử trong pháo xảy ra mạnh mẽ, giải phóng nhiều khí và nhiệt, chống cháy, pháo nổ.

Có thể thấy rằng pin lithium-ion lý thuyết có phản ứng oxy hóa khử giải phóng mạnh và chất điện phân dễ cháy bên trong của nó cũng có thể thúc đẩy phản ứng này, gây ra hậu quả cháy hoặc thậm chí nổ. Pin lithium ion cháy hoặc nổ có công suất lớn như thế nào? Ánh sáng từ năng lượng điện lưu trữ của nó, mật độ năng lượng 150WH / kg năng lượng pin lithium ion thông thường bằng khoảng 1/10 vụ nổ thuốc nổ TNT, mật độ năng lượng nhiệt. Trong những năm gần đây, nghiên cứu đã đưa ra kết luận, tai nạn điện cực âm dương trong pin lithium-ion có thể xảy ra trực tiếp trong những trường hợp đặc biệt, hoặc thậm chí chất lỏng có nồng độ nhôm và đồng cũng có thể trực tiếp tham gia phản ứng theo cách của chất khử, và nhiệt lượng tỏa ra phải cao hơn đáng kể so với lưu trữ năng lượng tương ứng của pin.

Nhìn chung, một vụ tai nạn an toàn trong không gian kín, nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 800 ° C và một pin lithium ion nặng 43,4G có thể nổ với sức công phá 5,45 gtnt, tương đương với 1/8 thuốc nổ TNT.

Lý do tại sao pin lithium ion không phản ứng với phản ứng oxy hóa khử mạnh mà liên tục được chuyển đổi thành năng lượng điện trong phản ứng điện hóa, và nó liên tục được chuyển đổi thành năng lượng điện là do màng ngăn được cách ly vật lý hiệu quả và cách điện dẫn điện (và sự tồn tại của chất điện phân). Tuy nhiên, khi các nguyên nhân bên trong hoặc bên ngoài khác nhau gây ra sự cố màng ngăn, thì cực dương và cực âm tiếp xúc trực tiếp, mạch ngắn bên trong này sẽ giải phóng năng lượng điện, có rất nhiều nhiệt và mang lại nhiệt độ cao, làm hỏng ngay lập tức hệ thống hóa học bên trong của pin, dẫn đến sự ổn định của chất điện phân âm, chất điện phân dương, điện cực âm và điện cực dương, và thậm chí phản ứng oxy hóa khử cũng liên quan đến chất lỏng hiện tại, nóng lên ngay lập tức, dẫn đến khí hóa tức thời của chất điện phân và bao gồm cả bột vật liệu hoạt động của điện cực âm dương đẩy vỏ pin ra, mang lại hậu quả là cháy hoặc thậm chí nổ, quá trình này được gọi là nhiệt mất kiểm soát (gọi tắt là TR). Theo thống kê hiện trường tai nạn xe điện trong những năm gần đây, phần lớn các vụ tai nạn đều là do "tự bốc cháy", bao gồm dừng xe (xả pin), khi lái xe (xả pin) và khi sạc điện.

Một phần nhỏ là tai nạn xảy ra khi có nguồn nhiệt bên ngoài, va chạm và mạch điều khiển bị hỏng. “Sự cháy tự phát” thuộc về sự mất nhiệt tự phát, cái sau được gọi chung là sự mất nhiệt không kiểm soát được (lạm dụng nhiệt, lạm dụng cơ học, lạm dụng điện). Mặc dù hai loại kịch bản này cuối cùng đều xảy ra do nhiệt độ cực đại, quá trình đốt cháy và các cơ chế khác tương tự nhau, nhưng có sự khác biệt lớn về mức độ khó khăn khi triển khai nghiên cứu.

Hiện nay, sự mất kiểm soát nhiệt độ do lạm dụng được kiểm soát bằng các điều kiện kích thích. Trong những năm gần đây, nó đã có những tiến bộ vượt bậc, về cơ bản có thể mô tả định lượng được cơ chế của nhiều tình trạng lạm dụng khác nhau cũng như cơ chế và mối nguy hiểm tiếp theo. Tuy nhiên, nhiệt độ tự phát mất kiểm soát, do tính phức tạp khó hiểu của nó, pin sau khi mất kiểm soát nhiệt độ sẽ bị hỏng hoàn toàn, rất khó để phục hồi tình trạng vi mô trước khi mất nhiệt, trở thành một nghiên cứu khó khăn.

Tại sao lại khó dự đoán được tình trạng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion? Mất kiểm soát nhiệt tự phát là mối lo ngại lớn nhất về an ninh của xe điện hiện nay. Tại sao lại khó phòng ngừa? Điều này phải nói từ khâu sản xuất pin. Nếu mỗi pin hoàn toàn đồng nhất từ ​​các hạt vật liệu điện cực vi mô, màng ngăn đến tấm vĩ mô thì gói vỏ là 100.

000000,000%, chắc chắn sẽ có một bộ pin được tạo thành từ hàng nghìn hoặc hàng trăm nghìn viên pin như vậy. Tính năng bảo mật tốt hơn. Bạn có thể nhận thấy rằng biểu thức hàng trăm phần trăm ở đây hơi khác một chút, có mười số không đằng sau, biểu thị mức pin lý tưởng mong đợi - mức cao nhất.

Như đã biết, hậu quả của việc pin không ổn định là hiệu suất của pin giảm sẽ nhanh hỏng hơn, một số quá trình thụ động bị vô hiệu hóa, trực tiếp không hợp lệ; cũng có một con đường khác một phần - đoản mạch bên trong và nhiệt độ ngoài tầm kiểm soát, cháy, nổ. Có phải có hiện tượng đoản mạch ngắn hạn trong thời gian ngắn trong tổn hại này không? Nguyên nhân là do sự suy giảm này rất chậm và tín hiệu điện áp bên ngoài không rõ ràng. Thứ hai là pin trực tiếp đi vào trạng thái phá hủy nhiệt mất kiểm soát trong vài phút, pin đã đầy, bằng chứng không thể truy tìm được, điều này cũng khiến lĩnh vực nghiên cứu này tiến triển.

Việc mô phỏng chính xác hiện tượng đoản mạch ngắn hạn vẫn là một vấn đề. Ngoài ra, pin cũng giống như một hộp đen, mặc dù chúng ta có thể sử dụng một số máy quang phổ điện hóa và phương tiện kỹ thuật CT tại chỗ để theo dõi những thay đổi của từng pin và cấu trúc vi mô bên trong, nhưng chúng ta không thể dự đoán được hàng chục triệu pin nào sẽ được nghiên cứu tỉ mỉ trong tình trạng "đột tử" sau vài tháng hoặc sau vài năm. Mỗi cục pin hầu như không có rủi ro tự phát minh, nhưng cái nào "đột tử" sau nửa năm hay ba năm sau hoặc vào mùa đông Trần, gây ra tai nạn cháy nổ trên diện rộng? Bây giờ khó mà dự đoán được.

Điều này giống như không giống cơ thể chúng ta? Các thông số vật liệu pin và quy trình sản xuất Tương tự như gen của chúng ta, hệ thống sạc và xả pin giống như thói quen ăn uống của chúng ta, việc sử dụng pin thay đổi nhiệt độ môi trường như môi trường phát triển. Cùng với sự phát triển, luôn có một số người trong cơ thể sẽ bị viêm nhiễm kéo dài hoặc tổn thương mạch máu nghiêm trọng hơn, từ đó có thể phát triển thành ung thư hoặc gây đột quỵ trong thời gian ngắn, tương tự như hiện tượng đoản mạch pin và nhiệt độ tiếp theo. Nếu chúng ta có khả năng theo dõi sức khỏe của mọi người trên trái đất theo thời gian thực 24 giờ, chúng ta có thể phát hiện ra bất thường và loại bỏ ung thư và đột quỵ, nhưng rõ ràng điều này không khả thi.

Tương tự như vậy, chúng ta cũng khó có thể chịu được việc giám sát toàn diện nhất theo thời gian thực của từng loại pin, hiện nay có thể lắp ráp một mô-đun tạo ra hàng chục loại pin để theo dõi điện áp và nhiệt độ tổng thể, và điều này xuất phát từ việc nghiên cứu và phòng ngừa các cell pin. Yêu cầu về nhiệt độ ngoài tầm kiểm soát rõ ràng là có khoảng cách. Một điều có thể xác định được là cải thiện hiệu suất ổn định của pin để nâng cao tính bảo mật và độ tin cậy của bộ pin. Tuy nhiên, không thể đạt được độ đồng nhất hoàn hảo, các hạt pin hoạt động tích cực và tiêu cực, mỗi hình dạng, điều kiện bề mặt, khuyết tật, v.v.

của pin, miễn là độ phân giải đủ cao thì có thể nhìn thấy được. Ngoài nguyên liệu thô, việc chế tạo pin còn liên quan đến hàng chục quy trình phức tạp, muốn giữ cho pin luôn đồng nhất là điều rất khó khăn. Mặc dù ngành công nghiệp pin lithium-ion hiện đang đầu tư mạnh mẽ để đạt được độ chính xác xử lý cao hơn, nhưng số lượng nguyên liệu thô và quy trình chế biến phức tạp của pin lithium-ion khiến cho tính nhất quán trở thành một nhiệm vụ không bao giờ kết thúc.

Xe điện tất nhiên sẽ tiếp tục phát triển, đất nước tôi sẽ tiếp tục thúc đẩy công nghệ lưu trữ quy mô lớn trong hệ thống năng lượng. Theo hiện trạng cơ cấu năng lượng của Trung Quốc, xe điện có vai trò quan trọng trong chiến lược năng lượng trung và dài hạn cũng như phát triển bền vững trong tương lai của nước tôi. Tôi tin rằng với sự phát triển nhanh chóng liên tục của hệ thống công nghệ pin, độ tin cậy và an toàn của nó sẽ được cải thiện đáng kể trong 5-10 năm tới.

Tuy nhiên, việc ngăn ngừa hoàn toàn tai nạn cháy pin lithium-ion là điều gần như không thể. Tất nhiên, trong trường hợp tôn trọng thực tế khách quan, có nhiều cách để nâng cao tính an toàn. Đầu tiên là công nghệ cảnh báo tiên tiến, chẳng hạn như báo cáo gần đây của Đại học Stanford về việc thu tín hiệu hydro nhạy có thể đẩy nhiệt độ cảnh báo của pin lithium-ion vượt khỏi tầm kiểm soát, đủ để nhân viên trên xe điện thoát khỏi nguy hiểm.

Ngoài ra, kỹ thuật “tự độc” của pin cũng hiệu quả hơn, cơ chế của nó là khi pin phát sinh nhiệt mất kiểm soát, người ta có thể giải phóng một số hóa chất đặc biệt để thụ động hóa “độc” bên trong pin, làm gián đoạn chuỗi nhiệt mất kiểm soát. Về tính an toàn của pin lithium-ion, phát triển mạnh mẽ công nghệ cải tiến an toàn hiệu quả và sáng tạo, liên tục cải thiện tính nhất quán trong sản xuất pin. Một ngày nào đó, những tin tức “bùng nổ” như thế này sẽ không còn xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta nữa, chúng ta có thể an tâm sử dụng xe điện.

Lời cảm ơn: Xin cảm ơn Đại học Thanh Hoa, Vương Lệ và Cao đẳng ô tô, Phùng Tấn Ninh, hai giáo viên đã cung cấp các tài liệu liên quan và những cuộc thảo luận hữu ích.