An toàn trong sử dụng pin lithium

SƠ LƯỢC VỀ PIN LITHIUM

Pin Lithium đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho các thiết bị lưu trữ có thể sạc lại. Chúng phổ biến cho các hoạt động nghiên cứu của nhiều trường Đại học và được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế. Tuy nhiên đã xuất hiện các vụ cháy nổ và tai nạn liên quan đến loại pin Lithium này. Mặc dù vậy pin Lithium vẫn là giải pháp lưu trữ năng lượng hàng đầu và tiềm năng nhất hiện nay do đó rất nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích giảm thiểu rủi ro cháy, nổ đối với loại pin này. Bài phân tích sau đây được viết với mục đích cung cấp thêm thông tin về cấu tạo Pin Lithium và những giải pháp kỹ thuật nhằm giúp ngăn ngừa hỏa hoạn, thương tích và hư hỏng cho người sử dụng thiết bị liên quan đến dòng sản phẩm này.

PIN LITHIUM LÀ NHƯ THẾ NÀO?

Pin Lithium là loại pin có mật độ năng lượng cao hơn so với các dòng pin/acquy cũ (cao hơn tới 100 lần). Chúng được phân loại thành hai nhóm: pin không sạc và pin sạc.

• Pin lithium không sạc (non-rechargeable) có cấu tạo gồm các tế bào pin (cell) sử dụng một lần có chứa cực dương lithium kim loại. Trong ngành công nghiệp, pin không sạc được gọi chung là pin “Lithium”.
• Pin lithium sạc (rechargeable) có cấu tạo bởi các tế bào pin có thể sạc lại chứa các cực dương, cực âm làm từ hợp chất Lithium. Pin Lithium có thể sạc lại thường được gọi là pin “Lithium-ion”.

Thỏi pin lithium-ion (còn được gọi là cell pin) có điện áp hoạt động (V) nằm trong khoảng từ 3,6–4,2V. Các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm trong quá trình phóng điện. Các ion đảo ngược hướng trong quá trình sạc. Oxit kim loại hoặc Phốt-phát được phủ trên cực âm sẽ quy định “tính chất hóa học” của pin.

Hình 1: Các dạng cell pin

Các thiết kế phổ biến nhất được sử trong học tập và nghiên cứu bao gồm cell Polyme/Pouch thường được sử dụng trong Iphone, iPod, máy tính bảng và điện thoại di động. Các cell Cylindrical (hình trụ) và các thiết kế tương tự là thiết kế tiêu chuẩn cho các loại pin kiềm trong nhiều năm (pin A, AA, AAA, C và D). Cell Prismatic (chữ nhật) là những cell hình chữ nhật, mỏng, có vỏ bằng thép cứng. Cell chữ nhật thường được sử dụng trong điện thoại di động và máy tính xách tay mỏng.

Ngoài điện thoại di động và máy tính bảng, hầu hết các thiết bị điện / điện tử cầm tay hoạt động với dải điện áp cao hơn điện áp bình thường của thỏi cell pin lithium-ion (3,6–4,2V). Đối với các thiết bị như vậy, nhiều cell pin được đóng thành cục pin và kết nối với nhau để cung cấp điện áp và công suất theo mong muốn. Kết nối cell pin dạng song song làm tăng cường độ dòng điện và khả năng phóng điện trong khi kết nối nối tiếp sẽ làm tăng điện áp của cục pin. Ví dụ, một bộ pin lithium-ion 24V thường có sáu cell được kết nối nối tiếp.

 Nhiều bộ pin có mạch tích hợp được sử dụng để theo dõi và điều khiển các đặc tính sạc và xả của bộ pin. Ví dụ, mạch sẽ tự động quản lý việc sạc khi các cell pin đạt đến 4,2V và / hoặc nếu nhiệt độ vượt quá giá trị đặt trước. Các mạch sẽ tự động ngắt dòng điện nếu các cell phóng điện và điện áp giảm dưới giá trị đặt trước (ví dụ: 3,3V trên mỗi cell).

 Cell pin hình trụ (gọi là cell “18650”) có kích thước và hình dạng tương tự như pin AA. Nó là “con ngựa thồ” của ngành công nghiệp pin lithium-ion và được sử dụng trong phần lớn các bộ pin thương mại. Các ví dụ được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2: Cell pin và cục pin

CÁC SỰ CỐ KHI SỬ DỤNG PIN LITHIUM

Các nguy cơ cháy do pin lithium-ion thường liên quan đến mật độ năng lượng cao cùng với các chất điện phân hữu cơ dễ cháy. Điều này tạo ra những thách thức mới cho việc sử dụng, lưu trữ và vận chuyển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hư hỏng vật lý, sự cố về điện như đoản mạch và sạc quá mức và môi trường nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng nóng lên và giải phóng nhiệt. Điều này giải thích hiện tượng tự nóng một cách nhanh chóng do phản ứng hóa học tỏa nhiệt, có thể dẫn đến phản ứng dây chuyền toả nhiệt của cell pin bên cạnh. Các khiếm khuyết trong khâu sản xuất như thiếu sót và / hoặc bụi bẩn cũng có thể dẫn đến hiện tượng sinh nhiệt. Phản ứng làm bốc hơi chất điện phân hữu cơ và sinh ra áp suất cho lớp vỏ của cell pin. Nếu (hoặc khi) lớp vỏ hư hỏng, khí độc hại trong cell pin sẽ được giải phóng. Mức độ nghiêm trọng của hiện tượng phồng pin có liên quan một phần đến sự tích tụ và giải phóng áp suất từ bên trong của cell pin. Những cell pin có khả năng làm giảm áp suất (ví dụ có lỗ giảm áp hoặc vỏ dạng mềm) sẽ có phản ứng ít nghiêm trọng hơn so với các loại cell có tính chất giữ áp suất và dễ bị vỡ do áp suất cao (ví dụ các cell pin hình trụ không có lỗ giảm áp). Do đó, cấu trúc của cell pin có thể là một biến số chính liên quan đến mức độ nghiêm trọng khi xuất hiện sự cố pin.

Hình 3: Các phản ứng của pin Lithium

Mức độ nghiêm trọng của phản ứng pin lithium nói chung là một hàm số của các thông số bao gồm kích thước pin, thành phần hóa học, cấu tạo và trạng thái sạc pin (SOC). Trong phần lớn các phản ứng của pin lithium đều tạo ra các thành phần hợp chất nguy hiểm như: các chất dễ cháy (ví dụ khí ga, hơi và chất lỏng), khí độc và các mảnh vụn (một số có thể cháy), và trong hầu hết các trường hợp chất điện phân và vật liệu vỏ pin sẽ cháy mạnh cho đến hết.

Trong quá trình phản ứng sinh khói (sự thoát hơi của pin và chưa tạo ra ngọn lửa), các thành phần sinh ra chủ yếu các chất điện phân. Đối với hầu hết các loại pin, các chất sinh ra trong phản ứng bao gồm Carbon Dioxide (CO2), Carbon monoxide (CO), Hydro (H2) và Hydrocacbon (CxHx). Các khí này có thể độc hại, dễ cháy và có nguy cơ gây nổ.

Đối trường hợp phản ứng cháy, chất điện phân trong pin khi cháy kiệt tạo ra sản phẩm chủ yếu là Carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Phản ứng đốt cháy cũng có xu hướng giải phóng Flo khỏi muối Lithium (thường là LiPF6) hòa tan trong chất điện phân. Flo thường phản ứng với Hydro để tạo thành hydro Forua (HF). HF sản sinh cũng tỷ lệ thuận với năng lượng điện được lưu trữ trong cell pin và có thể đạt đến mức nồng độ nguy hiểm. HF sẽ kết hợp với hơi nước sinh ra trong quá trình phản ứng của pin hoặc kết hợp với màng nhầy trong bộ phận cơ thể người (như mắt, mũi, họng, phổi) để tạo axit Flohydric.

CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN VÀ SỬ DỤNG PIN LITHIUM TỐT NHẤT

Mua hàng

• Mua pin từ nhà sản xuất hoặc nhà cung cấp có uy tín.
• Tránh vận chuyển pin mà không có bao bì bảo vệ (nghĩa là bằng nhựa cứng hoặc tương tự).
• Kiểm tra pin khi nhận và thải pin bị hỏng một cách an toàn. Lưu trữ

Bảo quản pin

• Bảo quản pin tránh xa các vật liệu dễ cháy
• Tháo pin ra khỏi thiết bị nếu để lưu trữ lâu dài.
• Bảo quản pin ở nhiệt độ từ 5 ° C đến 20 ° C (41 ° F và 68 ° F).
• Cách tốt nhất hãy cất pin trong tủ bảo quản bằng kim loại.
• Tránh lưu trữ số lượng lớn trong các khu vực không phải phòng thí nghiệm như văn phòng.
• Kiểm tra bằng mắt các khu vực lưu trữ pin hàng tuần.
• Sạc pin lưu trong kho đến khoảng 50% dung lượng ít nhất sáu tháng một lần.

Thiết bị sạc và quá trình sạc pin

• Không được sạc pin lithium không sạc (pin lithium dùng một lần hoặc pin kiềm); nên cất riêng pin sử dụng một lần.
• Sạc hoặc xả pin ở mức 50% dung lượng trước khi lưu trữ lâu dài.
• Sử dụng bộ sạc được thiết kế để sạc một cách an toàn tại các thông số xác định.
• Ngắt kết nối pin ngay lập tức nếu pin phát ra mùi bất thường, phát nhiệt, thay đổi hình dạng hoặc hoạt động bất thường trong quá trình vận hành hoặc sạc pin. Trường hợp xảy ra các hiện tượng trên, pin không sử dụng được nữa.
• Ngắt cell pin hoặc cục pin khỏi bộ sạc ngay sau khi sạc xong. Không thực hiện sạc pin tại khu vực lưu trữ pin.
• Sạc và lưu trữ pin trong hộp đựng chống cháy như Bao Lipo chất lượng cao.
• Không sạc song song các loại pin có độ tuổi và trạng thái sạc khác nhau; bộ sạc không thể theo dõi dòng điện của từng cell và việc cân bằng điện áp ban đầu có thể dẫn đến cường độ dòng điện cao, làm hỏng pin và sinh nhiệt. Kiểm tra điện áp trước khi sạc song song; tất cả các pin phải có điện áp không lệch quá 0,5 Volt.
• Không sạc quá mức (lớn hơn 4,2V đối với hầu hết các loại pin) hoặc xả quá mức (dưới 3V).

VẬN CHUYỂN VÀ SỬ DỤNG

• Vận chuyển pin và hoặc các thiết bị sử dụng pin một cách thận trọng để không làm hỏng vỏ pin hoặc các điểm kết nối.
• Giữ cho pin không tiếp xúc với vật liệu dẫn điện, nước, nước biển, chất oxy hóa mạnh và axit mạnh.
• Không đặt pin dưới ánh nắng trực tiếp, trên bề mặt nóng hoặc những vị trí nhiệt độ cao.
• Kiểm tra các dấu hiệu hư hỏng của pin trước khi sử dụng. Không được sử dụng hay vứt bỏ pin bị hỏng hoặc bị phồng.
• Để tất cả các vật liệu dễ cháy cách xa khu vực hoạt động.
• Để thời gian làm mát pin trước khi sạc hoặc trước khi sử dụng, do trong quá trình sạc và xả pin sẽ bị nóng.
• Xem xét cấu tạo vỏ cell pin (dạng mềm có lỗ thông hơi) và lớp bảo vệ để thực hiện các cải tiến về pin trong sử dụng thực tế.

Thải bỏ

• Thải bỏ các cell pin bị hư hỏng và các pin không còn lưu trữ được điện tích. Để kiểm tra tình trạng chung của các cell pin, hãy sạc chúng và giữ trạng thái bình thường trong một giờ, sau đó đo điện áp. Nếu các cell pin của bạn vẫn đạt điện áp 4,2V (hoặc 3,6V tuỳ loại cell) nghĩa là các cell đang ở trong tình trạng tốt.
• Vứt bỏ pin đã qua sử dụng bằng cách mang chúng địa điểm thu gom và xử lý tại mỗi địa phương. Một số địa điệm nhận thu gom pin cũ:

TP.HCM:

1. Sở Tài nguyên – Môi trường, 63 Lý Tự Trọng, Bến Nghé, Quận 1, TP.HCM
2. MM MEGA MARKET An Phú, Song Hành, Thảo Điền, Quận 2, TP.HCM
3. UBND phường 15, quận 4, 132 Tôn Thất Thuyết, Phường 16, Quận 4, TP.HCM
4. UBND phường 17, quận Phú Nhuận, 22 Nguyễn Văn Trỗi, Phường 17, Phú Nhuận, TP.HCM
5. UBND phường 2, quận Bình Thạnh, 14 Phan Bội Châu, Phường 14, Bình Thạnh, TP.HCM
6. Cty Hanel Trading, Số 260A Điện Biên Phủ , Phường 7, Quận 3, Tp Hồ Chí Minh
7. Trung tâm bảo hành Cannon Lê Bảo Minh, 95B-97-99 Trần Hưng Đạo, Q.1, TP. HCM
8. UBND Phường 9, Quận 3, 82 Bà Huyện Thanh Quan, P.9, Q.3, TP.HCM

1.Wiibike Việt Nam, 36 Yên Lãng, Láng Hạ, Q. Đống Đa, TP. Hà Nội

2. UBND phường Thành Công, số 9 đường Thành Công (Thành Công, Ba Đình)
3. Bảo tàng Chiến thắng B.52, số 157 Đội Cấn (Đội Cấn, Ba Đình)
4. UBND phường Quán Thánh, số 12-14 đường Phan Đình Phùng (Quán Thánh, Ba Đình)
5. Nhà văn hóa phường Nghĩa Tân, đối diện số 45 phố Nghĩa Tân (phường Nghĩa Tân, Cầu Giấy)
6. Nhà văn hóa phường Yên Hòa, số 288, đường Trung Kính (phường Yên Hòa, Cầu Giấy)
7. Cty Hanel Trading, Số 2 Chùa Bộc, Phường Láng Hạ, Quận Đống Đa, Hà Nội
8. Trung tâm bảo hành Cannon Lê Bảo Minh, 130A Giảng Võ, Ba Đình
9. Và hệ thống các cửa hàng Vinmart trên toàn quốc.
10. UBND Phường Tràng Tiền, Quận Hoàn Kiếm, 02 Cổ Tân, P. Tràng Tiền, Q. Hoàn Kiếm
11. Chi cục bảo vệ môi trường Hà Nội, 17 Trung Yên 3, P. Trung Hòa, Q. Cầu Giấy

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN LITHIUM

Thiết kế hệ thống pin Lithium là một chủ đề có tính liên ngành cao đòi hỏi những nhà thiết kế có trình độ. Lựa chọn cell pin, chi tiết bảo vệ, tuổi thọ, thiết kế hệ thống sạc, hệ thống điều khiển điện, hệ thống cân bằng năng lượng và các dấu hiệu cảnh báo là những ví dụ các nội dung cần được cân nhắc thực hiện. Hệ thống được thiết kế cho các thiết bị di động phải được áp dụng các biện pháp tốt nhất nhằm đảm bảo an toàn. Các thiết kế phải có sự đánh giá mối nguy hiểm về sức khỏe, mối nguy hiểm về vật lý và môi trường; và đảm bảo các mối nguy hiểm được giảm thiểu một cách thích hợp thông qua các biện pháp kiểm soát kỹ thuật và hành chính. Ví dụ về các tiêu chí cơ bản cho thiết kế hệ thống bao gồm:

• Các kịch bản hỏng hóc, bao gồm cả sự thoát nhiệt phải được xem xét trong quá trình thiết kế và thử nghiệm để sự cố hư hỏng không phải là thảm họa.
• Duy trì cell pin ở nhiệt độ hoạt động được khuyến cáo của nhà sản xuất trong quá trình sạc hoặc xả.
• Kích thước / thông số bộ pin và bộ sạc để xác định giới hạn tốc độ sạc và dòng xả của pin trong quá trình sử dụng xuống 50% giá trị định mức (hoặc thấp hơn).
• Thực hành các quy trình an toàn điện đối với các bộ pin dung lượng cao (50V trở lên) có nguy cơ điện giật và chập điện. Sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE), thiết bị cách điện hoặc bảo vệ các dây dẫn và đầu nối tiếp xúc.

KHẨN CẤP

Hãy làm theo các bước sau nếu có dấu hiệu về sự cố của pin (ví dụ: phồng, nóng hoặc có mùi bất thường). Sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân, chẳng hạn như găng tay, kính bảo hộ và áo khoác phòng thí nghiệm.

• Nếu pin có dấu hiệu hư hỏng do nhiệt, hãy hết sức thận trọng vì khí có thể dễ cháy, độc hại và các dạng hư hỏng có thể gây nguy hiểm.
• Ngắt kết nối pin (nếu có thể).
• Tháo pin ra khỏi thiết bị (nếu có thể).
• Đặt pin trong hộp kim loại hoặc vật chứa khác tránh xa các chất dễ cháy.
• Liên hệ với sở cứu hỏa địa phương và yêu cầu tư vấn về cách xử lý.
• Nếu xảy ra cháy pin lithium, hãy sử dụng bình chữa cháy CO2 (Loại BC) hoặc hóa chất khô (Loại ABC). Đây là những trang bị chữa cháy phổ biến đối với các tòa nhà. Pin lithium thực tế không có kim loại lithium vì vậy không sử dụng bình chữa cháy loại D.

KẾT LUẬN

Tuyên bố “Tương lai của thế giới phụ thuộc vào khả năng lưu trữ năng lượng của con người” đã được khẳng định trong nhiều buổi hội thảo quốc tế và trong các ngành công nghiệp hiện đại. Cho đến giờ pin Lithium vẫn là loại pin có nhiều ưu điểm nhất để con người tập trung phát triển và hoàn thiện. Những ví dụ về ô tô điện hãng Tesla, các thiết bị di động, các tổ hợp lưu trữ điện, hệ thống điện mặt trời… đang phát triển một cách mạnh mẽ là minh chứng rõ nhất về tiềm năng và hiệu quả của pin lithium trong sự phát triển chung của loài người.