EnglishKiểm tra chất lượng pin bằng EIS Scan
Li-ion là một loại hóa chất hiệu quả để lưu trữ năng lượng điện nhưng điểm trừ và sự không quản lý được rủi ro bắt đầu từ một cell lỗi sau đó lan sang các cell khác và tiếp tục tới đám cháy pin thảm khốc. Đã có nhiều đám cháy với pin tiêu dùng như đám cháy xe điện hoặc các thiết bị cầm tay khác.
Hãng sản xuất thiết bị đo kiểm pin Cadex đang phát triển một công nghệ có bản quyền dùng EIS Scan và hiển thị kết quả dạng biểu đồ Nyquist.
Hình 1 : Biểu đồ Nyquist của 100 cell 18650 để test kiểm soát chất lượng. Thử nghiệm được thực hiện trong môi trường được kiểm soát
Thiết bị Spectro Explorer kiểm tra được Li-ion và pin axit chì từ 3V đến 48V với dung lượng lên đến 300Ah. Thử nghiệm này ít xâm lấn với tần số quét từ 2.000Hz xuống 0,1Hz mất khoảng 30 giây; lâu hơn đối với pin lớn. Ứng dụng của Explorer là kiểm soát chất lượng trong sản xuất, kiểm tra tính đồng nhất của pin đầu vào và xác nhận pin trước khi giao hàng. Kết quả tốt nhất đạt được với các bước chuẩn bị như sạc đầy trước, sau đó nghỉ một thời gian ngắn.
Pin axit chì ít dùng sẽ bị xảy ra quá trình sunfat hóa, một lỗi có thể được xử lý bằng cách dùng lại nếu quá trình sunfat hóa mềm. Sunfat hóa cứng xảy ra trong thời gian lưu trữ dài ở mức sạc thấp có thể là trở thành vĩnh viễn.
Pin lithium sơ cấp cũng phát triển thụ động hóa (Passivation) trong khi lưu trữ. Lớp thụ động hóa có thể loại bỏ bằng cách xả trong thời gian ngắn. Đây là các dịch vụ bổ sung mà quét Nyquist có thể phát hiện.
Biểu đồ Nyquist là gì?
Biểu đồ Nyquist bao gồm giá trị đọc điện trở (Z thật) được mô phỏng bởi trục ngang, và các phân tích phản ứng tương xứng được mô phỏng trên trục dọc. Kết quả phản ánh đặc điểm của pin được chia thành sự di chuyển ion ở tần số cao ở bên phía bên trái; sạc ở khu vực giữa; và khuếch tán ở tần số thấp ở bên phải.
Hình 2 Biểu đồ Nyquist của mẫu “pin vàng” và các phạm vi đạt/không đạt có thể điều chỉnh để thiết lập phạm vi chấp nhận cho việc kiểm soát chất lượng trong sản xuất và kiểm tra sẵn sàng hoạt động.
Hình 3 : Biểu đồ Nyquist của cùng một pin li-ion ở các mức SoH khác nhau
Hình 4 : chồng biểu đồ Nyquist của pin tốt với pin có dung lượng thấp. Li-ion màu đỏ có bất thường
Hình 5 : Biểu đồ Nyquist cell màu đỏ có nhánh dendrite
Hình 6 :Biểu đồ Nyquist của 1 ắc quy axit chì đã già và 1 ắc quy bị sunphat hóa
| Pin axit chì được lưu trữ trong sáu tháng hoặc lâu hơn sẽ xuất hiện hiện tượng sunfat hóa; một hiệu ứng ngủ đông làm giảm hiệu suất nhưng có thể đảo ngược bằng cách vận động nếu được thực hiện kịp thời. Hình 7 cho thấy biểu đồ Nyquist của pin axit chì với mức dung lượng đọc được là 75%. Sau khi vận động với chu kỳ sạc/xả, khả năng chấp nhận điện tích được cải thiện và dung lượng tăng lên 92%. Các pin axit chì khác được thử nghiệm với nhiều vấn đề do lưu trữ khác nhau cũng có những cải thiện tương tự. Cần có thêm nhiều nghiên cứu về cách Nyquist có thể xác định được pin bị sun phát hóa để hồi phục pin. | 
Hình 7 : EIS Scan cho thấy việc “vận động” cải thiện dung lượng của ắc quy chì sau lưu kho từ 75% đến 92% |
Xác định lỗi khối pin xe điện qua EIS Scan
Pin xe đạp điện bị hỏng và trong một số trường hợp có thể bắt lửa. Nếu xử lý đúng cách, Li-ion an toàn nhưng loại pin này rất nhạy cảm với việc bị lạm dụng so với axit chì và pin gốc niken. Tham khảo Cách dùng li-ion an toàn.
Hình 8: Kiểm tra EIS trên pin xe đạp điện. Bộ 40V có 4 cell song song và 10 cặp nối tiếp
| Bây giờ chúng tôi quét pin bằng Explorer trong toàn bộ khối cũng như theo cặp song song.
Nhân viên kỹ thuật sau khi được đào tạo sẽ dễ dàng đọc được biểu đồ Nyquist. Nhiệm vụ được đơn giản hóa bằng cách so sánh một khối pin lỗi với một khối tốt – được gọi là mẫu vàng. Hình 9: mẫu tốt sẽ có biểu đồ Nyquist là đường “đuôi mèo” nằm gọn trong hình vuông Acceptance Field – Vùng chấp nhận. Pin lỗi sẽ vượt ra ngoài hình vuông. Hình dạng “đuôi mèo” cũng được dùng để phỏng đoán lỗi. |
Hình 9 : Biểu đồ Nyquist của 04 khối pin li-ion có nhiều lỗi khác nhau. |
|
Hình 10: Biểu đồ một khối với một cặp cell bị ngắn mạch. Các cặp tốt sẽ nằm trong hình oval màu xanh lá. Việc nối 1 cặp hỏng vào 1 khối pin tốt làm toàn bộ khối pin bị thay đổi hình dáng biểu đồ. Mạch bảo vệ và các kết nối nối tiếp sẽ làm tăng điện trở không phản ứng, làm dịch chuyển biểu đồ Nyquist của bộ nguồn sang bên phải. |
Hình 10: Biểu đồ Nyquist của khối pin có 01 cặp cell bị hỏng |
|
Việc nghiên cứu kết hợp điện trở không phản ứng với biểu đồ phản ứng của pin được minh họa thêm trong Hình 11. Ở đây, mạch bảo vệ và cáp dài di chuyển biểu đồ Nyquist sang phải trong khi vẫn giữ nguyên định dạng của biểu đồ Nyquist. Sự dịch chuyển phản ánh phần điện trở thuần của pin cũng sẽ hỗ trợ trong việc xác định sự cố. |
Hình 11: Nyquist khi có thêm mạch bảo vệ |
Phần kết luận
Kiểm tra pin bằng EIS không phải là điều mới mẻ, nhưng các nhà khoa học dự đoán rằng chẩn đoán pin trong tương lai phụ thuộc vào phân tích EIS. Đánh giá của Nyquist sử dụng Spectro Explorer có tiềm năng trở thành một cái tên quen thuộc, do tính linh hoạt, dễ sử dụng và chi phí thấp. Sử dụng công nghệ này sẽ giảm thiểu rủi ro để duy trì sự an toàn khi thế giới chuyển sang dùng pin làm nguồn cấp điện chính. Các ứng dụng EIS điển hình bao gồm:
- Phòng thí nghiệm nghiên cứu : Kiểm tra vật liệu catốt và anot bằng chất phụ gia.
- Sản xuất: Đánh giá tính nhất quán giữa các lô pin.
- Kiểm soát chất lượng: Xác minh chất lượng pin đầu vào và yêu cầu bảo hành.
- Môi trường: Kiểm tra độ lão hóa của pin trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.
- Kiểm tra stress: Quan sát tình trạng mất dung lượng trong điều kiện tải quá mức.
- An toàn: Phát hiện các dendrites và lớp mạ lithium trong quá trình kiểm tra sản xuất.
Theo Viện nghiên cứu An toàn UL (UL Research Institute), hiện tượng thermal runaway (xả khí bằng ngọn lửa) là nguyên nhân chính gây ra hỏa hoạn ở pin Li-ion.
