Kiểm tra pin và an toàn

Làm thế nào để đáp ứng tính toàn vẹn của lĩnh vực và khả năng bay

Trong quá trình kiểm tra bên ngoài trước chuyến bay trước khi cất cánh, phi công nhận thấy khói trắng dày đặc bốc lên từ khoang chứa hàng của chiếc Boeing 737 và tuyên bố "Mayday". Các đội khẩn cấp đã đến và phát hiện ra 28 khẩu đội trong một hộp vận chuyển đã được kiểm tra, 6–8 trong số đó đã bị lửa thiêu rụi. Báo cáo nói rằng một sự cố chập điện trong pin đã gây ra hỏa hoạn sau khi hành khách tuyên bố rằng không có pin trong hộp quá cảnh. Theo luật hàng không dân dụng, hành khách không khai báo hàng nguy hiểm có thể bị phạt tới 7 năm tù. Vận chuyển pin lithium phải tuân theo Đạo luật Vận chuyển Hàng hóa Nguy hiểm .

Các phương tiện truyền thông nhanh chóng đưa tin về các sự kiện lithium-ion và vì lý do chính đáng. Samsung Note 7 bị cấm trên các chuyến bay vì tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ; thuốc lá điện tử bắt lửa, bảng di chuột điện đã bị thu hồi và vào năm 2006, sự cố 1/200.000 đã gây ra việc thu hồi gần 6 triệu gói lithium-ion. Hơn nữa, việc Boeing 787 Dreamliner bị đình chỉ bay vào năm 2012/2013 là do pin Li-ion bị hỏng. Những rủi ro này xảy ra sau khi pin được đề cập vượt qua thử nghiệm nghiêm ngặt của UN 38.3, tiêu chuẩn chịu trách nhiệm vận chuyển pin lithium của Liên Hợp Quốc và bộ tổ chức vận tải.

UN 38.3 Vận chuyển hàng hóa nguy hiểm do Liên hợp quốc quy định

Lithium-ion an toàn nhưng với hàng triệu ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng, sự cố sẽ xảy ra. Các hạt kim loại siêu nhỏ tiếp xúc với các bộ phận khác trong pin đã gây ra việc thu hồi Sony. Các nhà sản xuất pin cố gắng giảm thiểu sự hiện diện của các hạt như vậy; tuy nhiên, kỹ thuật lắp ráp khiến việc loại bỏ bụi như vậy trở thành một thách thức. Các tế bào hiện đại có dải phân cách siêu mỏng 21µm (21 phần nghìn mm) dễ bị nhiễm tạp chất hơn so với các thiết kế cũ có dải phân cách nặng hơn và ampe-giờ (Ah) thấp hơn. Trong khi 1.350mAh cổ điển trong tế bào 18650 có thể chịu được sự xâm nhập của móng tay; 3.400mAh dày đặc năng lượng ngày nay biến thành pháo hoa khi thực hiện bài kiểm tra tương tự. 18650 là một tế bào Li-ion tiêu chuẩn được giới thiệu vào đầu những năm 1990 với đường kính 18 mm và chiều dài 65 mm.

Có hai loại lỗi pin. Một là sự cố 1/10 triệu liên quan đến lỗi sản xuất hầu hết dẫn đến việc thu hồi. Thứ hai là một sự kiện ngẫu nhiên hiếm gặp giống như bị thiên thạch đâm trúng. Rất khó để tìm ra lý do cho những lỗi như vậy vì tế bào bị hư hỏng không thể được tái tạo. Các nguyên nhân có thể là do sạc ở nhiệt độ dưới mức đóng băng, nhiệt độ cao, rung quá mức và/hoặc tải nặng lặp đi lặp lại. Chỉ cần nói chuyện với một người có sở thích, một tay đua ván trượt hoặc một người điều khiển máy bay không người lái; họ đã quen với những căng thẳng này.

Hầu hết các lỗi pin dẫn đến phân hủy đều bắt đầu bằng một sự cố chập điện nhẹ mà không được chú ý. Pin hoạt động bình thường và người dùng không biết về sự cố đang chờ xử lý. Điều này khác với một cấu trúc bị lỗi cho thấy các vết ứng suất trước khi rơi xuống. Sự bất thường về cấu trúc được ghi lại rõ ràng và ngưỡng thất bại được biết đến. Về mặt này, pin hoạt động giống như một chiếc hộp đen có bộ não riêng. Các tổ chức như NRTL, ANSI, UL, IEEE đang bắt đầu nghiên cứu các ứng dụng của pin và bắt buộc sử dụng đúng cách. Một chiếc xe tải hạng nặng sẽ nhận được một động cơ lâu dài hơn là một động cơ cải tiến từ một chiếc xe thể thao có cùng mã lực.

Lỗi pin cũng có thể do lệch điện cực hoặc các điểm hàn bất thường, như trường hợp của điện thoại thông minh Samsung Note 7. Sạc nhanh ở nhiệt độ lạnh thúc đẩy quá trình hình thành dendrite, lưu trữ Li-ion dưới 1,5V/cell trong hơn một tuần cũng vậy. Những ứng suất này có thể dẫn đến hiện tượng tự phóng điện tăng cao và đoản mạch bằng cách hình thành các điểm nhiệt làm suy yếu dải phân cách.

Trong quá trình thoát nhiệt, lỗ thông hơi Li-ion, nhiệt độ nhanh chóng tăng lên 500°C (932°F), tại thời điểm đó, tế bào bắt lửa hoặc phát nổ. Điều này được gọi là “thông hơi với ngọn lửa; "tháo gỡ nhanh chóng" là thuật ngữ ưa thích trong ngành công nghiệp pin. Các khí thải là carbon dioxide và carbon monoxide, cũng như các khí được hình thành bởi chất điện phân hóa hơi.

Mạch bảo vệ

Vì pin có thể giải phóng năng lượng cao nên cần có cơ chế an toàn để tránh hư hỏng nếu xảy ra đoản mạch. Thiết bị cơ bản nhất là cầu chì mở ở dòng điện cao. Một số cầu chì mở vĩnh viễn và khiến pin trở nên vô dụng; những người khác dễ tha thứ hơn và thiết lập lại. Các hệ số nhiệt dương (PTC) là một thiết bị có thể cài đặt lại, tạo ra điện trở cao đối với dòng điện dư thừa và trở lại bình thường.

Các lớp bảo vệ khác là các công tắc trạng thái rắn ngắt kết nối pin khi chỉ số dòng điện hoặc điện áp tăng vượt quá ngưỡng đã đặt. Các giới hạn hiện tại được đặt theo xếp hạng Ah của ô; giới hạn điện áp xảy ra khi vượt quá 4,3V/cell khi sạc và 2,2V/cell khi xả pin Li-ion. (Có thể áp dụng các cài đặt khác.) Một số ô bị tắt nếu nhiệt độ tăng lên 90ºC và/hoặc áp suất vượt quá giới hạn đã đặt. Tất cả các thiết bị chuyển mạch đều có điện trở dư làm tăng nhẹ điện trở tổng thể của pin và giảm dòng điện tối đa.

Mạch bảo vệ che chắn pin khỏi các tác động bên ngoài, nhưng sẽ không hiệu quả khi ngăn chặn quá trình thoát nhiệt bên trong khi đang diễn ra. Giống như một cuộc khủng hoảng hạt nhân, pin tự cung cấp năng lượng cho chính nó, tuy nhiên, các bộ phân tách nóng chảy được tích hợp trong một số tế bào tiên tiến ức chế dòng ion ở nhiệt độ cao sẽ làm chậm quá trình. Pin bị thu hồi vào năm 2006, cũng như pin chính của máy bay Boeing 787 và pin trong các sự cố khác đã vượt qua tất cả các yêu cầu về an toàn theo quy định, nhưng không hoạt động trong điều kiện sử dụng bình thường và có các mạch bảo vệ phù hợp.

Pin đi vào khu vực nguy hiểm phải an toàn về bản chất. Điều này áp dụng cho điện thoại di động, radio hai chiều, máy tính xách tay, máy ảnh, đèn pin, máy dò khí, dụng cụ y tế, bao gồm cả các thiết bị hoạt động với các tế bào chính 9V, AA và AAA. Được quy định theo tiêu chuẩn IEC 60079, một mạch điện được tích hợp trong các gói hoặc thiết bị giới hạn dòng điện để ngăn hình thành tia lửa điện có thể đốt cháy khí trong các nhà máy lọc dầu hoặc nhà máy hóa chất, cũng như bụi tại các máy vận chuyển ngũ cốc hoặc nhà máy dệt. Chứng nhận ở Bắc Mỹ là của Factory Mutual, UL, CSA và các tổ chức khác; Châu Âu thuộc ATEX và hầu hết chấp nhận tiêu chuẩn IEC 60079.

Xây dựng gói Lithium-ion

Xây dựng bộ pin Li-ion bắt đầu bằng cách ước tính các yêu cầu về điện áp, dòng điện và thời gian chạy. Một số sản phẩm tiêu dùng có hình dáng mỏng và sự lựa chọn là tế bào hình lăng trụ hoặc túi. Nếu không gian cho phép, 18650 cung cấp chi phí thấp nhất và hiệu suất tốt nhất về năng lượng cụ thể, độ an toàn và độ bền.

Pin Li-ion đời đầu được coi là dễ vỡ và không phù hợp với tải trọng cao. Ngày nay, các hệ thống dựa trên lithium kề vai sát cánh với các hóa chất niken và chì mạnh mẽ. Khi xây dựng gói Li-ion, phải xem xét hai loại riêng biệt.

Các tế bào năng lượng được xây dựng cho công suất tối đa để cung cấp thời gian chạy dài. Pin năng lượng Panasonic NCR18650B trong Hình 1 có công suất rất cao khi xả ở 0,5C (đường màu đỏ) nhưng kém bền hơn ở 2C (màu tím) với dòng điện định mức gấp đôi. Thay vì cung cấp 3.200mAh cho đường xả cuối 3V/cell, Pin năng lượng chỉ cung cấp 2.300mAh (vòng tròn màu đỏ); 28 phần trăm ít hơn so với quy định.

Hình 1: Đặc tính phóng điện của Pin năng lượng NCR18650B của Panasonic trong gói 18650. Pin năng lượng 3.200mAh được xả ở 0,2C, 0,5C, 1C và 2C. Vòng tròn ở vạch 3.0V/ô đánh dấu điểm cuối xả ở 2C. Tổn thất nhiệt độ lạnh: 25°C (77°F) = 100% 0°C (32°F) = ~83% –10°C (14°F) = ~66% –20°C (4°F) = ~53% Nguồn: Panasonic

Panasonic UR18650RX Tế bào năng lượng ở hình 2 có dung lượng vừa phải 1.95Ah nhưng cho khả năng chịu tải cực tốt. Dòng phóng điện 10A (5C) có tổn thất công suất tối thiểu ở đầu điện áp phóng điện 3.0V. Điều này lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu dòng tải nặng, chẳng hạn như dụng cụ điện. Mặc dù công suất thấp hơn 40 phần trăm so với Pin năng lượng, Pin năng lượng cũng mang lại hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ lạnh.

Hình 2: Đặc tính phóng điện của Pin nguồn UR18650RX của Panasonic trong gói 18650. Pin nguồn 1950mAh được xả ở 0,2C, 0,5C, 1C và 2C và 10A. Tất cả đều đạt ngưỡng 3.0V/cell vào khoảng 2000mAh. Power Cell có công suất vừa phải nhưng mang lại dòng điện cao. Tổn thất nhiệt độ lạnh: 25°C (77°F) = 100% 0°C (32°F) = ~92% –10°C (14°F) = ~85% –20°C (4°F) = ~80% Nguồn: Panasonic

Pin thành phẩm phải trải qua các bài kiểm tra điện và cơ học để đáp ứng các yêu cầu Hướng dẫn kiểm tra và khuyến nghị tiêu chí theo UN 38.3 về vận chuyển hàng nguy hiểm. Các quy tắc này hài hòa với Cục Hàng không Liên bang (FAA), Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (DOT) và Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế (IATA). Chứng nhận áp dụng cho pin và pin lithium sơ cấp và thứ cấp và phải đáp ứng các yêu cầu sau:

T1 – Mô phỏng độ cao : Áp suất thấp mô phỏng hầm hàng không áp suất ở độ cao 15.000 mét.
T2 – Kiểm tra nhiệt : Nhiệt độ cực cao bằng cách giữ pin trong 6 giờ ở -40°C và +75°C.
T3 – Rung : Thử nghiệm mô phỏng rung trong quá trình vận chuyển ở tần số 7Hz đến 200Hz trong tối đa 3 giờ.
T4 – Sốc : Thử nghiệm mô phỏng rung động trong quá trình vận chuyển ở các lực G nhất định liên quan đến kích thước pin.
T5 – Đoản mạch bên ngoài : Khi nung chảy, áp dụng đoản mạch ở 50°C. Trường hợp không được vượt quá +170°C.
T6 – Va đập : Tế bào hình trụ >20mm được thử nghiệm va đập; tất cả các loại tế bào <20 mm được thử nghiệm để nghiền nát.
T7 – Sạc quá mức: Sạc gấp đôi dòng điện khuyến nghị trong 24 giờ (chỉ dành cho pin phụ)
T8 – Phóng điện cưỡng bức : Giống như T7, phóng điện cưỡng bức với các ô sơ cấp và thứ cấp.

Các phòng thí nghiệm được ủy quyền thực hiện các thử nghiệm yêu cầu một nhóm 24 pin bao gồm 12 mẫu mới và 12 mẫu đã được lặp lại 50 lần. Pin phải vượt qua các bài kiểm tra mà không gây ra tác hại như tháo rời, cháy nổ trong vòng 6 giờ sau khi kiểm tra, nhưng các gói có thể bị hỏng trong quá trình kiểm tra. IATA muốn đảm bảo rằng các loại pin được đề cập có thể bay được và có tính toàn vẹn của trường; đi xe đạp các gói 50 lần trước khi thử nghiệm thêm một số thực tế.

Chi phí chứng nhận cao từ 10.000 đến 20.000 USD không khuyến khích các nhà sản xuất nhỏ sử dụng Li-ion cho các sản phẩm có khối lượng thấp và các doanh nhân có thể chọn niken-kim loại-hydrua vì hóa chất này không yêu cầu mức độ thử nghiệm tương tự. Sự lỗi thời của pin lithium hiện có là một vấn đề khác làm tăng thêm chi phí. Cần phải chứng nhận lại mặt sau ngay cả khi các ô mới là sự thay thế trực tiếp. Các cơ quan quản lý nói rằng việc phê duyệt tế bào không thể được chuyển sang gói vì xác nhận an toàn là trên sản phẩm hoàn chỉnh chứ không phải trên các thành phần.

Phải làm gì khi pin quá nóng

Nếu pin Li-ion quá nóng, phát ra tiếng rít hoặc phồng lên, hãy ngay lập tức di chuyển thiết bị ra khỏi vật liệu dễ cháy và đặt thiết bị lên bề mặt không bắt lửa. Nếu có thể, hãy tháo pin và đặt ngoài trời để đốt cháy. Bạn cũng có thể đặt thiết bị bên ngoài và giữ thiết bị ở đó ít nhất 6 giờ.

Một đám cháy Li-ion nhỏ có thể được xử lý giống như bất kỳ đám cháy dễ cháy nào khác. Để có kết quả tốt nhất, hãy sử dụng bình chữa bọt, CO ₂ , hóa chất khô ABC, bột than chì, bột đồng hoặc soda (natri cacbonat). Halon cũng được sử dụng làm chất chống cháy.

FAA hướng dẫn các tiếp viên sử dụng nước hoặc soda pop để dập lửa trong cabin. Các sản phẩm gốc nước luôn sẵn có và phù hợp nhất vì Li-ion chứa rất ít kim loại liti phản ứng với nước. Nước cũng làm mát khu vực lân cận và ngăn lửa lan rộng. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu và nhà máy sử dụng nước để dập tắt các đám cháy Li-ion nhỏ.

Một ngọn lửa Li-ion lớn, chẳng hạn như EV, có thể cần phải cháy hết vì nước không hiệu quả. Có thể sử dụng nước có chất liệu bằng đồng, nhưng loại này có thể không có sẵn và tốn kém cho các phòng cứu hỏa. Khi gặp đám cháy với pin lithium-metal, chỉ sử dụng bình chữa cháy loại D. Kim loại liti có chứa liti phản ứng với nước và làm cho đám cháy trở nên tồi tệ hơn. Chỉ sử dụng bình chữa cháy loại D đối với đám cháy lithium.

Trong quá trình thoát nhiệt, nhiệt từ ô bị hỏng trong bộ pin có thể truyền sang ô tiếp theo, dẫn đến mất ổn định nhiệt. Một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra trong đó mỗi tế bào phân rã theo thời gian biểu của riêng nó. Do đó, một gói có thể bị phá hủy trong vài giây hoặc trong vài giờ khi mỗi ô được tiêu thụ. Các gói nên bao gồm các dải phân cách để bảo vệ ô bị lỗi khỏi lây lan sang ô lân cận. Điện thoại di động chạy trên một tế bào Li-ion duy nhất trong khi pin máy tính xách tay có một số tế bào được kết nối nối tiếp và song song để đạt được điện áp và định mức Ah cần thiết.

Giới thiệu về tác giả

Isidor Buchmann là người sáng lập và Giám đốc điều hành của Cadex Electronics Inc. Trong ba thập kỷ, Buchmann đã nghiên cứu hoạt động của pin sạc trong các ứng dụng thực tế hàng ngày, và đã viết các bài báo đoạt giải bao gồm cuốn sách bán chạy nhất “Batteries in a Portable World,” bây giờ trong phiên bản thứ tư của nó. Cadex chuyên thiết kế và sản xuất bộ sạc pin, thiết bị phân tích và giám sát