EN
Tóm tắt
Hiện tượng phồng pin trong các loại pin dựa trên lithium được sử dụng trong phương tiện bay không người lái (UAV) là một hiện tượng suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và an toàn vận hành. Bài báo này cung cấp một phân tích mở rộng và hệ thống về các cơ chế vật lý - hóa học gây ra hiện tượng phồng, phân biệt giữa các hành vi phồng liên quan đến vận hành và lưu trữ, đánh giá các mối nguy tiềm ẩn, đồng thời đề xuất các chiến lược phòng ngừa dựa trên bằng chứng. Bằng cách tích hợp lý thuyết điện hóa với các mô hình sử dụng đặc thù của UAV, nghiên cứu này nhằm hỗ trợ việc vận hành máy bay không người lái an toàn hơn và góp phần cải thiện các hệ thống quản lý pin (BMS) trong tương lai.
1. Giới thiệu
Các pin lithium-ion (Li-ion) và lithium-polymer (LiPo) đã trở thành nguồn năng lượng chủ đạo cho UAV nhờ mật độ năng lượng cao, cấu trúc nhẹ và đặc tính xả ổn định. Khi các ứng dụng UAV mở rộng sang các lĩnh vực như lập bản đồ trên không, nông nghiệp chính xác, ứng phó khẩn cấp và kiểm tra công nghiệp, độ tin cậy của hệ thống điện tích hợp ngày càng trở nên quan trọng.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, các loại pin dựa trên lithium dễ bị suy giảm khi tiếp xúc với stress nhiệt, va chạm cơ học, sạc không đúng cách hoặc điều kiện lưu trữ không phù hợp. Trong số các dạng suy giảm khác nhau, hiện tượng phồng pin—được đặc trưng bởi sự giãn nở bất thường của túi pin hoặc vỏ—đã nổi lên như một mối lo ngại an toàn lớn. Hiện tượng phồng không chỉ làm giảm hiệu suất pin mà còn làm tăng nguy cơ cháy, nổ và giải phóng khí độc.
Bài viết này mở rộng nghiên cứu hiện có bằng cách cung cấp phân tích chi tiết về các cơ chế trương phồng, các yếu tố đóng góp và các biện pháp phòng ngừa được điều chỉnh phù hợp với môi trường vận hành UAV.
2. Phân loại hiện tượng trương phồng pin
2.1 Hiện tượng trương phồng tạm thời trong quá trình hoạt động tải cao
Trong các nhiệm vụ bay đòi hỏi cao, pin UAV có thể trải qua sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng do dòng xả lớn. Các hoạt động như tăng tốc nhanh, treo lơ lửng trong gió mạnh hoặc mang theo tải trọng nặng làm tăng đáng kể nhiệt sinh ra từ điện trở nội tại.
Khi nhiệt độ tế bào vượt quá ngưỡng vận hành khuyến nghị (thông thường trên 40–45°C), các phản ứng phụ bắt đầu xảy ra. Những phản ứng này bao gồm sự phân hủy một phần các dung môi chất điện phân và mất ổn định của lớp giao diện điện phân rắn (SEI). Các sản phẩm khí sinh ra—thường là CO₂, H₂ và các hydrocarbon có khối lượng phân tử thấp—tích tụ bên trong khoang pin kín.
Dạng phồng này thường có thể hồi phục. Khi pin nguội xuống, áp suất bên trong giảm và vỏ pin có thể trở lại hình dạng ban đầu. Tuy nhiên, việc tiếp xúc lặp đi lặp lại với nhiệt độ cao sẽ làm tăng tốc độ phân hủy lớp SEI, làm tăng điện trở nội tại và thúc đẩy sự suy giảm lâu dài. Theo thời gian, hiện tượng phồng tạm thời có thể phát triển thành phồng vĩnh viễn nếu tình trạng căng thẳng về nhiệt kéo dài.
2.2 Phồng vĩnh viễn trong quá trình lưu trữ
Hiện tượng phồng xảy ra trong quá trình lưu trữ thường nghiêm trọng hơn và cho thấy hư hỏng nội bộ vĩnh viễn. Khác với hiện tượng phồng trong vận hành, thường do nhiệt độ gây ra, phồng liên quan đến lưu trữ chủ yếu gắn với sự mất ổn định điện hóa và sự suy giảm lâu dài.
2.2.1 Lão hóa do chu kỳ
Các pin dựa trên lithium trải qua những thay đổi về cấu trúc và hóa học trong mỗi chu kỳ sạc-xả. Sau hàng trăm chu kỳ, lớp SEI dày lên, vật liệu hoạt tính bị tách biệt và độ xốp của điện cực giảm. Những thay đổi này làm tăng điện trở nội tại và thúc đẩy các phản ứng tạo khí.
Khi pin tiến gần đến cuối vòng đời sử dụng, ngay cả những tác động nhỏ—như sạc quá mức nhẹ hoặc dao động nhiệt độ nhẹ—cũng có thể gây phồng pin.
2.2.2 Điều kiện lưu trữ không đúng
Một số yếu tố liên quan đến lưu trữ làm tăng đáng kể nguy cơ phồng pin:
● Xả sâu (<3,0 V mỗi tế bào) có thể gây hòa tan đồng từ bộ thu dòng cực âm, dẫn đến hiện tượng đoản mạch nội bộ.
● Hư hỏng cơ học có thể làm tổn hại đến lớp cách ly, cho phép tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực.
● Sự xâm nhập của độ ẩm phản ứng với các thành phần chất điện phân, sinh nhiệt và tạo khí.
● Lưu trữ ở trạng thái sạc cực đại sẽ làm tăng tốc độ oxy hóa chất điện phân và gây mất ổn định lớp SEI.
● Lưu trữ ở nhiệt độ cao (30°C) làm tăng tốc độ phản ứng và sự hình thành khí.
Những yếu tố này cùng nhau góp phần gây phồng rộp không thể hồi phục, thường đi kèm với hiện tượng mất dung lượng và bất ổn điện áp.
3. Cơ chế Vật lý - Hóa học của Hiện tượng Phồng rộp
3.1 Phân hủy Chất điện phân
Chất điện phân dựa trên carbonate hữu cơ rất nhạy cảm với nhiệt. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc quá áp, chúng phân hủy thành các sản phẩm phụ dạng khí. Quá trình phân hủy này là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phồng rộp.
3.2 Hiện tượng Mạ Lithium và Hình thành Dendrite
Sạc ở nhiệt độ thấp hoặc điện áp cao có thể khiến lithium kim loại bám vào bề mặt cực âm. Hiện tượng mạ lithium làm giảm dung lượng và tăng điện trở nội tại. Quan trọng hơn, lithium kim loại rất dễ phản ứng và có thể khởi phát các phản ứng tạo khí với dung môi chất điện phân.
3.3 Sự Bất ổn của Lớp SEI
Lớp SEI rất cần thiết để ổn định giao diện anode và chất điện phân. Tuy nhiên, ứng suất nhiệt, sạc quá mức hoặc biến dạng cơ học có thể gây nứt lớp SEI. Việc lớp SEI bị phá vỡ lặp đi lặp lại sẽ tiêu hao chất điện phân và sinh ra khí, góp phần làm phồng pin.
3.4 Suy giảm Tách lớp
Tách lớp là một màng polymer xốp ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực. Va chạm cơ học, quá nhiệt hoặc lỗi sản xuất có thể làm suy yếu lớp tách. Khi lớp này bị tổn hại, có thể xảy ra hiện tượng đoản mạch nội bộ, dẫn đến sinh nhiệt nhanh và giải phóng khí.
4. Nhận diện và Đánh giá Pin Bị Phồng
Phát hiện sớm hiện tượng phồng pin là rất quan trọng để ngăn ngừa tai nạn. Các dấu hiệu chính bao gồm:
● Biến dạng hoặc phình rõ thấy được của vỏ pin
● Khó khăn khi lắp vào hoặc tháo pin ra khỏi UAV
● Mùi hóa chất ngọt hoặc nồng nặc
● Thời gian bay giảm hoặc điện áp đầu ra không ổn định
● Nhiệt độ tăng cao trong quá trình sạc hoặc xả
Các pin phồng phải được loại ra khỏi sử dụng ngay lập tức. Việc cố gắng đâm thủng hoặc nén pin để giải phóng áp suất bên trong là cực kỳ nguy hiểm và có thể gây bắt lửa.
5. Các rủi ro an toàn liên quan đến hiện tượng phồng pin
5.1 Cháy và hiện tượng mất kiểm soát nhiệt
Các sự cố đoản mạch nội bộ hoặc phản ứng tỏa nhiệt có thể gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, một quá trình tự gia tốc có thể dẫn đến cháy.
5.2 Vỡ cơ học
Áp suất bên trong quá cao có thể khiến vỏ pin bị vỡ, giải phóng khí nóng và chất điện phân dễ cháy.
5.3 Phát thải khí độc
Các sản phẩm phân hủy của chất điện phân có thể bao gồm các hơi hữu cơ có hại, gây nguy hiểm cho đường hô hấp.
5.4 Hư hại cấu trúc thiết bị bay không người lái (UAV)
Một viên pin phồng có thể làm biến dạng khoang chứa pin của UAV, hư hại các đầu nối hoặc cản trở hệ thống làm mát.
6. Chiến lược Phòng ngừa
6.1 Quản lý Sạc
● Sử dụng bộ sạc được nhà sản xuất phê duyệt và tránh sạc nhanh trừ khi được hỗ trợ rõ ràng.
● Không để pin không có người giám sát trong quá trình sạc.
● Dừng sạc ngay khi đầy và định kỳ cân bằng điện áp các cell.
● Tránh sạc ngay sau khi bay; hãy để thời gian làm mát đầy đủ.
6.2 Kiểm soát Nhiệt độ
● Bảo quản pin ở nơi thoáng mát, khô ráo.
● Tránh để thiết bị bay không người lái (UAV) tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời trong thời gian dài.
● Sử dụng hộp chứa chống cháy hoặc cách nhiệt khi vận chuyển.
6.3 Tối ưu hóa lưu trữ
● Duy trì mức sạc từ 40–60% để lưu trữ dài hạn.
● Sạc lại mỗi 1–3 tháng để tránh xả sâu.
● Lưu trữ các pin riêng lẻ để ngăn lan truyền nhiệt.
6.4 Bảo vệ cơ học
● Tránh làm rơi hoặc nén pin.
● Bảo vệ khỏi độ ẩm và rung động.
● Kiểm tra định kỳ các dấu hiệu mài mòn hoặc biến dạng.
6.5 Giám sát hoạt động
● Theo dõi số chu kỳ và các chỉ số hiệu suất thông qua hệ thống điều khiển bay.
● Thay thế các pin hiển thị hiện tượng điện áp bất thường hoặc suy giảm dung lượng.
● Giữ cập nhật firmware để tận dụng các thuật toán quản lý pin được cải thiện.
7. kết luận
Hiện tượng phồng pin trong các hệ thống UAV là một hiện tượng đa yếu tố, do các nguyên nhân như ứng suất nhiệt, suy giảm điện hóa, hư hỏng cơ học và thói quen lưu trữ không đúng cách. Trong khi hiện tượng phồng tạm thời trong quá trình vận hành có thể hồi phục được, thì hiện tượng phồng xảy ra khi đang lưu trữ thường phản ánh sự cố nội bộ không thể phục hồi.
Bằng cách áp dụng các phương pháp sạc, lưu trữ và giám sát dựa trên cơ sở khoa học, người dùng có thể giảm đáng kể nguy cơ phồng pin và nâng cao độ an toàn cho UAV. Mặc dù những tiến bộ trong hóa học pin và hệ thống quản lý sẽ tiếp tục cải thiện độ tin cậy, nhận thức của người dùng vẫn là yếu tố then chốt trong việc ngăn ngừa các rủi ro liên quan đến hiện tượng phồng pin.
