Pin Lithium-ion (LIB) là hệ thống điện hóa và cơ học phức tạp, là đối tượng của hàng chục tiêu chuẩn an toàn quốc tế. Trong Câu hỏi thường gặp này, chúng tôi sẽ thảo luận về các khía cạnh môi trường chính của an toàn LIB, xem xét 5 tiêu chuẩn an toàn LIB hàng đầu và xem xét việc sử dụng các phòng thử nghiệm pin tùy chỉnh để đảm bảo an toàn cho nhân viên thử nghiệm.
Nhiều mối quan tâm về an toàn của LIB là do các thiết bị nhạy cảm với điện áp và nhiệt độ. Hình 1 mô tả hoạt động của các tế bào Li (Ni0.5Co0.2Mn0.3) O2 (NCM). Trong ví dụ này, các tế bào được chỉ định để hoạt động từ -30 đến 55 ° C. Ở nhiệt độ trên 55 ° C (đến khoảng 80 ° C), các tế bào thể hiện khả năng tốc độ tốt hơn do các phản ứng điện hóa nhanh hơn và sự di chuyển ion nhanh trong chất điện phân và điện cực. Các phản ứng phụ, trong trường hợp này, trở nên nghiêm trọng, dẫn đến sự phân rã công suất nhanh.
Ở nhiệt độ trên 80 ° C, tế bào bắt đầu bị hư hại, và trên 130 ° C sẽ dẫn đến việc các bộ phận cấu thành của tế bào bị tan chảy và có khả năng gây cháy.
Nhiệt độ thấp dẫn đến hoạt động của tế bào kém và có thể bị hỏng nhưng thường không phải là mối nguy hiểm về an toàn. Tuy nhiên, sạc quá mức (điện áp quá cao) có thể dẫn đến phân hủy cực âm và chất điện phân bị oxy hóa, đây là một vấn đề đáng lo ngại về an toàn. Phóng điện quá mức (điện áp quá thấp) có thể dẫn đến phân hủy giao diện điện phân rắn (SEI) trên cực dương và có thể gây ra quá trình oxy hóa lá đồng, làm hỏng tế bào thêm.
Ngoài các mối quan tâm về vận hành và môi trường liên quan đến điện áp và nhiệt độ, hư hỏng cơ học có thể dẫn đến các vấn đề an toàn với LIB. Với những lo ngại này, có một loạt các tiêu chuẩn an toàn cho LIB.
Năm trong số những điều phổ biến nhất là:
- IEC 62133
- UN / DOT 38.3
- IEC 62619
- UL 1642
- UL 2580
IEC 62133, Tiêu chuẩn thử nghiệm an toàn của pin và pin Li-Ion, là yêu cầu an toàn để thử nghiệm các tế bào thứ cấp và pin có chứa chất điện phân kiềm hoặc không axit. Nó được sử dụng để kiểm tra LIB được sử dụng trong thiết bị điện tử di động và các ứng dụng khác. IEC 62133 đề cập đến các mối nguy hóa học và điện cũng như các mối quan tâm về cơ học như rung và sốc có thể đe dọa người tiêu dùng và môi trường.
UN / DOT 38.3 (còn được gọi là Thử nghiệm T1-T8 và UN ST / SG / AC.10 / 11 / Rev. 5) bao gồm thử nghiệm an toàn vận chuyển đối với tất cả LIB, tế bào kim loại lithium và pin. Các tiêu chí kiểm tra bao gồm tám bài kiểm tra (T1 – T8), tất cả đều tập trung vào các mối nguy hiểm cụ thể trong giao thông vận tải. UN / DOT 38.3 là tiêu chuẩn tự chứng nhận và không yêu cầu thử nghiệm của bên thứ ba độc lập, nhưng việc sử dụng các phòng thử nghiệm của bên thứ ba là phổ biến để giảm nguy cơ kiện tụng nếu xảy ra tai nạn.
Một số phân nhóm của pin lithium được công nhận ( Bảng 1 ), chẳng hạn như:
- UN 3090, pin kim loại Lithium, được vận chuyển dưới dạng linh kiện
- UN 3480, LIBs, được vận chuyển dưới dạng thành phần
- UN 3091, pin kim loại Lithium được vận chuyển trong thiết bị hoặc đóng gói với thiết bị
- UN 3481, LIB được vận chuyển trong thiết bị hoặc đóng gói với thiết bị.
IEC 62619 , bao gồm các tiêu chuẩn an toàn cho tế bào và pin lithium thứ cấp, quy định các yêu cầu đối với ứng dụng an toàn của LIB trong thiết bị điện tử và các ứng dụng công nghiệp khác. Các yêu cầu thử nghiệm tiêu chuẩn IEC 62619 áp dụng cho các ứng dụng tĩnh và động cơ.
Các ứng dụng cố định bao gồm viễn thông, nguồn điện liên tục (UPS), hệ thống lưu trữ năng lượng điện, chuyển mạch tiện ích, nguồn điện khẩn cấp và các ứng dụng tương tự. Các ứng dụng động cơ bao gồm xe nâng, xe gôn, xe dẫn đường tự động (AGV), đường sắt và hàng hải – không bao gồm các phương tiện đường bộ.
UL 1642 , tiêu chuẩn UL về an toàn cho pin lithium, đưa ra các yêu cầu tiêu chuẩn đối với các tế bào pin lithium chính và phụ được sử dụng làm nguồn điện trong các sản phẩm điện tử.
UL 1642 bao gồm:
- Pin Li có thể thay thế chứa 5,0 g (0,18 oz) hoặc ít hơn Li kim loại. Pin có trên 5,0 g Li được đánh giá dựa trên sự tuân thủ các yêu cầu, nếu có, với các thử nghiệm và kiểm tra bổ sung để xác định xem pin có được chấp nhận cho mục đích sử dụng hay không.
- Pin Li có thể thay thế cho người dùng có chứa 4,0 g (0,13 oz) hoặc ít hơn Li kim loại và không quá 1,0 g (0,04 oz) Li kim loại trong mỗi tế bào điện hóa. Pin có trên 4,0 g hoặc tế bào có trên 1,0 g Li, cần được kiểm tra và thử nghiệm thêm để xác định xem tế bào hoặc pin có được chấp nhận cho mục đích sử dụng của chúng hay không.
UL 1642 không bao gồm nguy cơ nhiễm độc do ăn phải pin Li hoặc nguy cơ gây hại cho cơ thể do pin bị hỏng hoặc bị hở, cung cấp quyền truy cập vào Li kim loại.
UL 2580x , tiêu chuẩn UL về an toàn cho pin sử dụng trong xe điện, bao gồm một số thử nghiệm, bao gồm:
Dòng điện lớn ngắn mạch: chạy trên các mẫu đã được sạc đầy. Mẫu sẽ được đoản mạch khi sử dụng điện trở toàn mạch ≤ 20 mΩ. Đánh lửa bằng tia lửa phát hiện sự hiện diện của nồng độ khí dễ cháy bên trong mẫu và không có dấu hiệu nổ hoặc cháy. Ngoài ra, hơi sẽ không thoát ra bên ngoài trừ khi thông qua hệ thống hoặc lỗ thông gió được chỉ định. Sẽ không có hiện tượng vỡ vỏ hoặc các dấu hiệu rò rỉ chất điện phân có thể quan sát được. Nếu LIB vẫn hoạt động sau thử nghiệm ngắn mạch, nó sẽ được tiếp xúc với chu kỳ sạc và phóng điện phù hợp với đặc điểm kỹ thuật của nhà sản xuất. Thử nghiệm ngắn mạch có thể được thực hiện trên các cụm lắp ráp con thay vì toàn bộ cụm bộ lưu trữ năng lượng điện (EESA)
Nghiền Pin: chạy trên các mẫu đã được sạc đầy và mô phỏng ảnh hưởng của một vụ va chạm xe đối với tính toàn vẹn của EESA. Giống như thử nghiệm đoản mạch, đánh lửa bằng tia lửa phát hiện sự hiện diện của nồng độ khí dễ cháy bên trong mẫu và không có dấu hiệu nổ hoặc cháy. Không có khí độc thoát ra.
Máy nghiền pin (dọc): chạy trên các mẫu đã được sạc đầy. Lực tác dụng trong thử nghiệm nghiền phải được giới hạn ở mức 1000 lần trọng lượng của pin. Giống như thử nghiệm nghiền, đánh lửa bằng tia lửa phát hiện sự hiện diện của nồng độ khí dễ cháy bên trong mẫu và không có dấu hiệu nổ hoặc cháy. Không có khí độc thoát ra.
Phòng thử nghiệm LIB
An toàn LIB vốn dĩ là một hoạt động nguy hiểm. Với phóng điện sâu, đoản mạch, nhiệt độ tăng cao và các kiểu lạm dụng cơ học khác nhau, có khả năng xảy ra cháy, nổ đáng kể.
Các phòng thử nghiệm và lưu trữ LIB được thiết kế theo mục đích đã được phát triển để giảm thiểu khả năng gây hại cho nhân viên. Một ví dụ là phòng có khả năng chống cháy 90 phút không cửa ngăn với khả năng chống cháy bên trong và bên ngoài có thể được sử dụng như một buồng thử nghiệm hoặc để lưu trữ LIB ( Hình 2 ).
Các tính năng được thiết kế để bảo vệ con người và môi trường bao gồm:
- Mái có các bề mặt giảm áp để cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài khi có sự cố.
- Hệ thống thông gió hiệu suất cao để loại bỏ nhanh các khí độc hại hoặc dễ nổ.
- Khả năng bơm khí trơ để ngăn chặn các phản ứng nguy hiểm hoặc hỏa hoạn.
- Cảm biến cháy để cảnh báo đám cháy đang phát triển và các thiết bị chữa cháy tích hợp.
- Các cảm biến khí bổ sung để xác định khí thải ra ngoài và các vị trí để đặt thêm các cảm biến và rơ le tín hiệu khi cần thiết.
Tóm tắt
Hàm lượng kim loại Li trong pin Lithium-ion có nghĩa là chúng có thể gây nguy hiểm cho người sử dụng hệ thống chạy bằng pin. Các nguy cơ về an toàn LIB bao gồm phóng điện quá sâu, đoản mạch, nhiệt độ tăng cao và lạm dụng cơ học. Có hàng chục tiêu chuẩn an toàn quốc tế và các yêu cầu thiết kế cho LIB. Câu hỏi thường gặp này đã trình bày năm trong số những điều quan trọng nhất, cùng với một số cân nhắc cơ bản khi chỉ định phòng thử nghiệm LIB.
