EnglishPin lithium LiFePO4 lăng trụ bị phồng – nguyên nhân và cách phòng tránh
Bất kỳ ai làm việc với pin sắt phốt phát, (còn gọi là LFP hoặc LiFePO4) 3.2V hình lăng trụ đều biết rằng cell pin này rất dễ phồng. Tốc độ phồng từ nhẹ tới đôi khi gấp đôi kích cỡ ban đầu. Vậy nguyên nhân thực sự là gì? Có cách nào hạn chế hiện tượng này không? Khi nào nên bỏ khối pin đi?
Phạm vi bài viết
Trong bài viết này chúng tôi bàn về cell lăng trụ LFP 3.2V do loại này phổ biến hơn NCM lăng trụ
Ghi chú: hầu hết cell lăng trụ đều có dung lượng khá lớn so với cell trụ.
Các điều kiện thường gặp cell LFP prismatic chửa
Người dùng ghi nhận cell pin sắt lăng trụ chửa trong các điều kiện sau:
Chửa nhẹ tự nhiên trong quá trình sạc xả thông thường.
Cell biến dạng phồng to bất thường do các tác nhân ngoại cảnh trùng tác nhân kích hoạt thermal runaway giai đoạn đầu: tác động cơ, nhiệt, và điện.
- Chửa to do sạc xả quá mức: Người dùng để pin hoạt động ngoài phạm vi điện áp cutoff của hãng (xả thấp hơn 1V, và sạc cao hơn 3.65V)
- Đâm va tai nạn, chọc, đục lỗ bằng vật kim loại
- Các yếu tố liên quan tới môi trường xung quanh: Nhiệt độ cao/ độ ẩm cao/ áp suất thấp.
- Pin chửa sau thời gian lưu trữ dài
- Sạc pin tới mức no SOC 100% và không xả ngay.
- Xả kiệt tới SOC 0% và không sạc ngay
Nguyên nhân pin LiFePO4 lăng trụ bị phồng
Tất cả các loại pin lithium-ion đều chửa một cách tự nhiên do sự phình ra và thu gọn của hai điện cực trong quá trình hấp thụ ion lithium và giải phóng điện. Hiện tượng này xảy ra với mọi loại hình dạng cell khác nhau (cell trụ, lăng trụ và cell túi) với tỷ lệ chửa tăng dần theo thứ tự do đặc tính thiết kế cell.
Xem thêm: Phân loại pin lithium-ion theo hình dạng
Hệ số sạc xả C càng cao thì cell pin càng dễ phồng.
Một nghiên cứu đã công bố của IES battery, người ta nghiên cứu mối tương quan giữa hệ số sạc xả C ảnh hưởng tới lực bên trong gây phồng cell (stress force tính bằng đơn vị kg), nhiệt độ (temperature) ở các mức sạc xả 1C, 1.5C và 2.5C.
Bạn có thể thấy bằng việc tăng hệ số sạc xả, lực gây phồng lớn nhất bên trong cell đã tăng từ 144kg tới 164kg, và nhiệt độ bên trong cell tăng rõ nét. Khi xả ở 2.5C, nhiệt độ cell tăng tới 15°C so với ban đầu.
Thông tin trên khẳng định việc tăng hệ số sạc xả sẽ làm cell pin LFP tăng nhiệt và dễ phồng hơn.
Hình 1: (a) Áp lực gây phồng thay đổi; (b) Nhiệt độ thay đổi.
Nguồn: Thí nghiệm của IES Battery
Pin LFP lăng trụ chửa khi bị lưu trữ không đúng cách trong tình trạng sạc SOC=0% hoặc 100%
Trong một nghiên cứu khoa học đã được công bố, người ta đo đếm độ phồng của cell LFP ở tình trạng sạc 0% SOC và 100%SOC.
Ở 0%, pin bị phồng lên lớn hơn nhiều so với 100%. Qua nghiên cứu bằng các biện pháp tiên tiến, kết luận rút ra trạng thái điện áp của anode là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phồng pin. Anode ở SOC cao sẽ làm phân hủy lớp màng SEI trên anode trong quá trình lưu trữ lâu. Sau khi SEI phân hủy, anode tiếp xúc với dung dịch điện phân, màng SEI mới hình thành, và phản ứng này tỏa nhiệt kèm rất nhiều khí.
Hiện tượng phồng cell ổn định ở SOC 30%.
Nguồn: ScienceDirect
Cell LFP chửa khi bị lưu trữ và hoạt động trong nhiệt độ cao/thấp hoặc nhiều ẩm, hoặc áp suất thấp
Các chất hóa học trong cell luôn phản ứng với nhau một cách tự nhiên, chính là quá trình lão hóa tự nhiên của pin. Tuy nhiên, hoạt động ở nhiệt độ cao gần như nút “tăng ga” kinh hoàng cho quá trình “lão hóa tự nhiên” này đặc biệt khi đi kèm trong trạng thái SOC cao, kèm bị sạc xả quá mức. Nhiệt độ là một trong những nguyên nhân gây lão hóa hàng đầu của pin.
Đây là các phản ứng cấp tế bào trong cell:
- LAM – loss of active material: sự hòa tan của sắt Fe vào dung dịch điện phân, gây mất vật liệu hoạt động ở cathode. Các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ cao, SOC cao, áp lực bên ngoài, sẽ thúc đẩy phản ứng hòa tan này làm cathode xuống cấp nhanh hơn. Điều này tiếp theo làm phân hủy màng SEI (solid electrolyte interface- lớp màng đóng trên anode) vốn có chức năng bảo vệ anode.
- LLI: loss of Li inventory: Li+ tương tác với anode tạo khí để hình thành màng SEI mới, tỏa nhiệt
- Sự xuống cấp của màng CEI (cathode electrolyte interface- lớp màng ngăn giữa cathode và chất điện phân): khi bị sạc quá nhanh, cấu trúc tinh thể của CEI bị phá vỡ gây ra sự phân bổ không đồng nhất các áp lực làm cathode bị xuống cấp nhanh.
Cấu trúc tinh thể bị biến dạng của màng CEI trên cathode
Xem thêm: Nghiên cứu cơ chế xuống cấp ở pin LiFePO4 cấp tế bào
Pin LFP lăng trụ chửa do sạc xả quá mức
Người dùng đôi khi vô tình sạc xả quá mức cell pin, ví dụ xả thấp hơn 1V, và sạc cao hơn 3.65V. Đây là hai điểm tới hạn mà bạn không bao giờ nên bước qua để tránh gây ra thiệt hại không đáng tiếc.
Khi sạc quá mức, ion Li+ ở cathode sẽ bị dời sang anode, làm hỏng cấu trúc vốn có của pin do biến dạng anode. Các ion lithi+ thay vì được thẩm thấu vào anode thì bị dồn lại trên bề mặt chính là hiện tượng lithium hóa điện cực (Li-plating), tạo thành các tinh thể kim loại lithium, càng ngày càng nhiều làm cell bị bục.
Khi pin bị xả quá mức, màng SEI bảo vệ anode sẽ bị phá hủy, làm vật liệu điện cực tiếp xúc với dung dịch điện phân trong một phản ứng tỏa nhiệt và khí, gây nên phồng cell, đôi khi là cháy nổ. Điện áp dưới 1V cũng cho phép hình thành Li-plating, lâu dài gây ra ngắn mạch trong do hình thành các nhánh hình cây gọi là dendrites.
Bạn chỉ cần sạc lên 3.7V và để quên vài ngày, sẽ thấy cell phồng to như chửa.
Cell phồng do sản xuất kém chất lượng.
Ngoài ra, cell phồng to bất chấp bảo quản sử dụng đúng cách, thường do lỗi sản xuất, lô hàng kém chất lượng với bề mặt điện cực không phẳng, tạp chất trong quá trình sản xuất.
Cách phòng tránh hiện tượng cell pin 3.2V lăng trụ bị phồng
Cell pin lăng trụ có xu hướng phồng một cách tự nhiên trong quá trình sạc xả qua năm tháng, vì vậy nếu phồng nhẹ thường không phải vấn đề quá lớn. Trong cell luôn có valve an toàn, van này sẽ được kích hoạt để giải phóng các khí đã sinh ra trong trường hợp đoản mạch.
Đối với cell phồng to như “củ khoai tây” hoặc đã bị vỡ, biến dạng, hoặc bục vỏ, bạn vui lòng loại bỏ ngay lập tức và không tin tưởng những chỉ dẫn ở trên mạng về cách làm thoát khí để đảm bảo an toàn khi sử dụng.
Để phòng tránh hiện tượng phồng khó ưa, bạn chỉ cần loại bỏ các nguyên nhân gây phồng ở trên, phần lớn đều có thể giải quyết được triệt để.
- Không sạc xả quá dòng. Không để pin rơi xuống dưới 1V hoặc sạc quá 3.6V. Nhà cung cấp khuyến cáo điện áp cut-off là 2.5V, tuy nhiên khoảng cách xả này chỉ là dự phòng an toàn do xả thêm một chút là xuống dưới 1V ngay.
- Hạn chế sạc tốc độ cao và xả mạnh.
- Không để pin sắt nơi độ ẩm cao, nhiệt độ quá cao hoặc thấp.
- Không nên lưu pin LFP quá lâu với SOC lớn. (nên lưu ở 30%)
