Ô nhiễm hạt tiểu phân trong pin Lithium-ion

Ô nhiễm hạt trong pin có thể gây nguy hiểm như thế nào?

“Nguyên nhân nhỏ, hậu quả lớn” – câu nói này mô tả chính xác cho tình trạng ô nhiễm hạt trong pin lithium-ion. Trong số nhiều nguyên nhân khác nhau, các hạt cực nhỏ (hay còn gọi là hạt tiểu phân) là nguyên nhân khiến pin tự bốc cháy. Cho dù tính đến nay, số liệu cho những trường hợp này là chưa nhiều. Vậy điều này đã xảy ra như thế nào?

    Quá trình ô nhiễm hạt

Để giải thích, chúng ta hãy nhìn vào cấu trúc của một tế bào pin. Nó bao gồm nhiều mảnh điện cực mỏng, xếp chồng lên nhau hoặc cuộn tròn: một anot và một catot, được phân tách bởi lớp cách điện. Khoảng trống ở giữa chứa đầy dung dịch điện phân. Khi phóng điện, các electron chạy qua các điểm tiếp xúc từ anot đến catot. Khi pin được sạc, quá trình này sẽ đảo ngược.

    Ô nhiễm hạt dẫn đến cháy pin

Nếu những hạt dẫn điện như vậy có kích thước khoảng 10 micromet trở lên; chúng có thể xâm nhập vào các lớp cách điện dày từ 10 đến 40 micromet. Sau đó, các ion lithium gây “tắt đường” qua lớp cách điện: đoản mạch xảy ra. Đoản mạch có thể làm cháy pin; và ngọn lửa có nhiệt độ lên đến hơn 1.000 độ C; gần như không thể dập tắt được.

    Ví dụ cụ thể về tác động của ô nhiễm hạt trong pin lithium-ion

Một người dùng smartphone vô tình đặt chiếc điện thoại của mình trên bàn và để sạc qua đêm. Sáng hôm sau, anh ta phát hiện ra chiếc điện thoại bốc cháy nặng nề. Sau khi kiểm tra, kỹ thuật viên phát hiện rằng nguyên nhân của vụ cháy là do một số hạt kim loại nhỏ trong pin.

Ô nhiễm hạt, có thể là các mảnh vụn từ quá trình sản xuất pin, đã gây ngắn mạch nội bộ trong pin smartphone. Sự ngắn mạch này tạo ra một lượng nhiệt lớn, dẫn đến cháy nổ. Trong trường hợp này, việc kiểm soát ô nhiễm hạt trong quá trình sản xuất pin là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn cho người dùng cuối cùng.

Các thách thức trong quá trình tìm giải pháp

Nguy cơ

Pin lithium-ion là thiết bị lưu trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng khác nhau. Khối lượng sản xuất pin lithium-ion trong tương lai sẽ tiếp tục tăng; đặc biệt là do việc mở rộng sử dụng trong xe điện và hệ thống lưu trữ cố định. Tuy nhiên, vấn đề an toàn của pin lithium-ion được thảo luận thường xuyên do độ ổn định nhiệt hạn chế của một số thành phần tế bào đã sử dụng (chất điện phân, vật liệu hoạt tính và thiết bị phân tách). Do đó, các điều kiện an toàn quan trọng rất được báo cáo lặp đi lặp lại trong suốt quá trình vận hành dây chuyền sản xuất.

“When hundreds of millions of electric cars will soon be on the road, even rare production defects may become a relevant problem. Manufacturers must therefore pursue a zero-defect strategy. Inline inspection for particle contamination will soon become standard in battery cell production.”

Nguyên nhân ô nhiễm hạt trong pin

Trong trường hợp xấu nhất, quá trình đốt cháy tỏa nhiệt tự phát bên trong tế bào – được gọi là thoát nhiệt (TR) – dẫn đến giải phóng một phần khí độc và một lượng năng lượng lớn. Rủi ro còn tăng thêm do khả năng truyền nhiệt (TP) đến các tế bào lân cận trong các hệ thống lưu trữ năng lượng lớn hơn.

Ban đầu, khi xảy ra các sự cố về cơ, điện hoặc nhiệt. Với việc bổ sung các thiết bị bảo vệ thụ động, hệ thống quản lý pin (BMS) với khả năng phát hiện lỗi thông minh, một thiết kế cơ khí mạnh mẽ hoặc với các giải pháp làm mát phù hợp ở cấp độ hệ thống. Rủi ro của nhiều lỗi có thể được giảm xuống mức thấp và chấp nhận được. Một trong những lỗi này; được cho là nguyên nhân gây ra tới 90% các sự cố tại hiện trường; là hiện tượng đoản mạch bên trong (ISC). Ở đây, hiện tượng đoản mạch đặc trưng được hình thành bên trong vỏ pin. Ví dụ: do đuôi gai, chất lượng sản xuất và lắp ráp kém hoặc do các hạt từ chính quá trình sản xuất.

Hậu quả

Giải pháp

Xác định yếu tố gây ô nhiễm và tác động lên pin

Hiện chưa có thông tin về ngưỡng ô nhiễm chấp nhận được mà không ảnh hưởng đến pin. Sự ô nhiễm sẽ không gây ảnh hưởng trực tiếp đến pin; mà còn tùy thuộc vào nhiều thông số bên trong (như vật liệu, quy trình, môi trường, kích thước và cấu trúc của pin…); nên các giải pháp phải được điều chỉnh cho phù hợp. Ngoài ra, do sự thay đổi lâu dài về nhiệt độ và kiểu thời tiết, chủ yếu do các hoạt động của con người gây ra.

Loại bỏ các tạp chất đáng chú ý

Trong ngành công nghiệp pin, tất cả các chất gây ô nhiễm không cần phải loại bỏ vì chúng không phải là chất gây ô nhiễm nghiêm trọng. Vì vậy cần phải lựa chọn. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện bởi cộng đồng khoa học để hiểu về tính chất và nguồn gốc của sự cố pin. Đây là một cách gián tiếp để theo dõi mức độ nhiễm bẩn nghiêm trọng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất dẫn đến lãng phí pin. Trong số các tạp chất được biết đến; chúng có thể được phân loại thành 2 loại lớn: ô nhiễm ion và ô nhiễm hạt.

    – Ô nhiễm ion

Độ ẩm là nguyên nhân chính gây ô nhiễm trong pin. H2O tác động đến tuổi thọ của vật liệu và tạo ra HF, gây hại đến hiệu suất pin. Sự mất điện dung trong quá trình sạc/xả pin có thể xuất phát từ HF, ảnh hưởng đến vật liệu và hiệu suất pin.