Cơ chế và đặc tính cháy của pin Lithium-ion:
Cơ chế chung của gây cháy trên pin Lithium-ion là nhiệt lượng tỏa ra môi trường không cân bằng hoặc lớn hơn nhiệt sinh ra từ các phản ứng tỏa nhiệt. Nhiệt tích lũy này làm tăng nhiệt độ, do đó, tạo ra tốc độ phản ứng tăng theo cấp số nhân. Nếu tốc độ sinh nhiệt vượt quá tốc độ tỏa nhiệt ra môi trường thì nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng. Khi đạt đến nhiệt độ tới hạn, là nhiệt độ phá hủy thiết bị phân tách, pin sẽ bị phá vỡ.
Khi pin gặp sự cố, một số chất sẽ phân hủy hoặc phản ứng với nhau, cuối cùng dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt. Quá trình phản ứng điện hóa bên trong pin Lithium-ion ở nhiệt độ cao rất phức tạp. Khi nhiệt độ tăng, pin trải qua các biến đổi hóa học sau: phân hủy lớp điện phân rắn, phản ứng giữa vật liệu a nốt và chất điện phân, phản ứng giữa vật liệu ca tốt và sự điện ly, sự phân hủy chất điện ly, và phản ứng giữa cực dương và chất kết dính.
Khi pin trong điều kiện có các yêu tố gây tác động cháy nổ, áp suất bên trong pin đạt đến một ngưỡng nhất định, vỏ của pin sẽ phồng lên và vỡ ra để giảm áp suất. Các chất điện phân kèm theo một lượng nhỏ các khí như CO và H2 bay ra hoặc chảy ra ngoài hình 6 cho thấy quá trình đốt cháy các sol khí bay hơi được phun ra từ pin bị kích thích cháy. Trong môi trường không khí xung quanh có thể cung cấp đủ oxy, cùng với chất điện phân, khí dễ cháy là nhiên liệu tạo nên hỗn hợp không khí-nhiên liệu.
Khi tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu này nằm trong giới hạn dễ cháy, tia lửa điện hoặc bề mặt nóng có thể đốt cháy hỗn hợp, do đó tạo ra ngọn lửa.
Giải pháp an toàn phòng cháy chữa cháy:
Các biện pháp an toàn để giảm hoặc ngăn chặn sự thoát nhiệt đối với tế bào pin có thể được thực hiện thông qua việc lựa chọn vật liệu hoặc cấu trúc, thiết kế và sử dụng các thiết bị an toàn. Việc lựa chọn vật liệu làm catốt là yếu tố quyết định đến độ bền nhiệt và sự phân phối năng lượng. Ví dụ, sự phân hủy bắt đầu ở khoảng 130°C đối với LCO, ở 240°C đối với NMC, ở 270°C đối với LMO và ở 310°C đối với ca tốt LFP. Vật liệu làm ca tốt có thể được sử dụng để cải thiện độ bền nhiệt bằng cách phủ các vật liệu như TiO2, LiNi0,5Co0,5 O2, Al2O3, MgO, LixCoO2; thay thế một số kim loại (ví dụ, niken và nhôm thay thế một phần coban) và pha tạp với các vật liệu như zirconium.
Hệ thống quản lý pin (BMS) là thiết bị an toàn chính ở cấp mô đun và bộ pin. BMS kiểm soát và ngăn ngừa sạc quá mức, xả quá mức và vận hành bộ pin để có hiệu suất ứng dụng tốt nhất và tuổi thọ cao, thường đạt được bằng cách cân bằng trạng thái sạc của mỗi tế bào pin.
Việc phát hiện sự cố cháy và giải pháp chữa cháy đối với đám cháy pin Lithium- ion đã có những nghiên cứu được công bố. Trong bài viết Thermal hazard of Lithium- ion battery and security countermeasure được công bố trên tạp chí Science Press (Beijing, 2017) đã đưa ra những khuyến cáo đối với loại đám cháy này. Do đặc tính lan truyền cháy nhanh các đầu báo cháy khói là phù hợp hơn các đầu báo cháy nhiệt để phát hiện và xử lý kịp thời đám cháy pin Lithium-ion.
Đám cháy pin Lithium-ion không phải là đám cháy điển hình vì ít nhất một phần của nó bao gồm các phản ứng trực tiếp giữa các thành phần của pin. Các phản ứng này không cần oxy bên ngoài. Nước là chất chữa cháy rẻ nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống chữa cháy. Mặt khác, nước là một chất làm mát hoàn hảo vì nhiệt hóa hơi và khả năng tỏa nhiệt cao. Nó có thể không chỉ giúp ngăn chặn quá trình cháy mà còn có thể làm chậm hoặc ngừng sự lan truyền nhiệt.
Tuy nhiên, cần ít nhất 6 phút phun nước liên tục để dập tắt hoàn toàn đám cháy một chiếc xe oto điện; và quá trình dập lửa kéo dài trong 20 phút trong các thí nghiệm chữa cháy phòng kho chứa 12 thùng chứa pin Lithium-ion loại pin Lithium-ion LiCoO2 loại (10 Ah×4). Đồng thời, muối trong chất điện phân, LiPF6, có thể phản ứng với nước để giải phóng một lượng lớn HF gây độc và có hại cho con người. Bên cạnh đó, Lithium có thể khử nước để tạo thành hydro rất dễ cháy.
Giải pháp chữa cháy bằng bọt hoặc phun sương cũng đạt hiệu quả. So sánh hiệu quả chữa cháy của bột chữa cháy ABC, carbon dioxide, bọt chữa cháy AFFF và chữa
cháy phun sương trên pin Lithium-ion LiCoO2 loại (10 Ah×4). Bột ABC, carbon dioxide và chất tạo bọt AFFF 3% có thể dập tắt ngọn lửa bùng phát của gói pin Lithium-ion, nhưng không thể tránh được việc bắt lửa lại. Khả năng làm lạnh của tác nhân càng cao thì sự bắt lửa lại xảy ra càng muộn (thời gian bắt lửa lại đối với CO2, bột ABC và chất tạo bọt AFFF 3% tương ứng là 10, 8 và 45 giây sau khi dập tắt ngọn lửa trần).
Tóm lại, nước vẫn là chất hiệu quả nhất để ngăn chặn đám cháy pin Lithium-ion do tác dụng làm mát mạnh và bất chấp tác động của nó đối với tính toàn vẹn của mạch điện và các nhược điểm nêu trên. Halon, heptafluoropropane (HFC – 227ea hoặc FM200) và C6F-ketone có thể được sử dụng để dập tắt đám cháy pin Lithium-ion một cách hiệu quả, nhưng không có tác dụng làm mát giúp giảm thiểu sự tái bùng phát hoặc lan truyền nhiệt.
Nghiên cứu về phương pháp chữa cháy đối với đám cháy pin Lithium-ion vẫn cần phải có nghiên cứu sâu hơn. Đòi hỏi về việc phát hiện nhanh hơn và chính xác hơn các chất chữa thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn đối với đám cháy pin Lithium-ion. Các hệ thống chữa cháy tự động trong tương lai phải có khả năng dập tắt đám cháy khối pin lớn và có thể làm nguội khối pin nhanh chóng, giảm thiểu hư hỏng tối đa đối với pin ở khu vực khác.
Với đà phát triển hiện nay, pin Lithium-ion sẽ tăng lên dung lượng và kích thước để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và liên tục mở rộng phạm vi ứng dụng. Thế hệ mới của pin Lithium-ion đang được phát triển bao gồm pin giàu Li, pin giàu Ni, pin cực dương silicon và pin Li-oxy. Thiết kế các hệ thống quản lý pin toàn diện và đáng tin cậy hơn sẽ là một thách thức quan trọng trong tương lai. Các hệ thống chữa cháy tự động cho đám cháy pin Lithium-ion phải được phát triển để đảm bảo mức độ an toàn cao cho các công nghệ dựa trên pin Lithium-ion hiện tại và tương lai.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, ô nhiễm không khí ngày càng tăng cao đây cũng là vấn đề cần giải quyết của nhiều nước trên thế giới. Trong đó, Việt Nam chúng ta cũng ưu tiên các giải pháp, ứng dụng thực tiễn vào việc giảm thải ô nhiễm không khí và nâng cao chất lượng đời sống. Do đó, nhu cầu sử dụng xe ô tô điện thay cho những xe ô tô sử dụng động cơ xăng và động cơ diesel cũng rất cần thiết, đủ để các doanh nghiệp thấy được tầm nhìn phát triển và sản xuất xe ô tô điện quy mô lớn. Tuy nhiên, để thu hút người dân sử dụng xe chạy bằng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong cũng gặp nhiều khó khăn và cần nhiều thời gian để giải quyết.
Đưa ra những giải pháp để thức đẩy sự phát triển ngành công nghiệp ô tô điện trong thời gian tới. Các doanh nghiệp có chính sách đào tạo, đào tạo nguồn nhân lực từ
những kiến thức cơ bản đến các kiến thức thức chuyên ngành. Chú trọng đào tạo các kỹ sư, các công nhân có tay nghề vững vàng, tạo điều kiện cho các cán bộ chủ chốt đi đào tạo tại các nước hàng đầu sản xuất ô tô như: Đức, Nhật Bản, Mỹ,....
Bên cạnh đó, là sinh viên được theo học ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Qua tìm hiểu, nghiên cứu và khảo sát thị trường cho thấy rằng nhu cầu sử dụng xe ô tô điện trong nước ngày càng tăng. Từ đó, nhóm sinh viên Ngành ô tô đã đưa ra hướng chế tạo mô hình xe ô tô điện mini để thay thế cho xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong thức đẩy sự phát triển ngành ô tô điện trong tương lai.
Là một sinh viên chuyên ngành ô tô, nhóm chúng em đưa ra hướng giải pháp an toàn và tiện nghi khi sử dụng xe ô tô điện mini. Với đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE ĐIỆN CHỞ KHÁCH MINI’’ góp phần giảm thiểu ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường. Đồng thời có thể áo dụng những kiến thức đã được học từ nhà trường vào thực tế giúp cho người sử dụng dùng một cách đơn giản, an toàn, tiện nghi và tối ưu nhất có thể.
1.3. Giới thiệu mô hình
Dựa vào kết quả nghiên cứu, sáng tạo của các chuyên gia, hãng sản xuất đã và đang tiếp tục phát triển các dòng xe điện. Trên cơ sở tìm hiểu, nghiên cứu, sáng tạo về công cuộc phát triển này, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE ĐIỆN CHỞ KHÁCH MINI’’.