Kiểm tra rò rỉ pin lithium-ion đối với nền công nghiệp 3C

Nền công nghiệp 3C là viết tắt của các nhóm ngành “Computer, communication, consumer electronics”
Các nhà sản xuất trong nhóm này này đều không muốn hình ảnh của mình bị xấu đi vì những lỗi liên quan đến pin lithium-ion bị hư hỏng hoặc thậm chí là bị cháy.

Điều nãy cũng dễ hiểu vì không một nhà sản xuất nào muốn phải thay pin mới trong khi vẫn còn trong thời gian bảo hành. Vì thế họ thường mong muốn kéo dài tuổi thọ của pin lên khoảng từ ba đến năm năm. Để đảm bảo được điều này thì chất điện phân trong pin không được phép rò rỉ ra khỏi khuôn pin cũng như độ ẩm ko thể xâm nhập vào.

Tuy nhiên, việc kiểm tra rò rỉ của pin trong quá trình sản xuất là một thách thức. Cho đến nay, vẫn chưa tìm được giải pháp phù hợp.
Hãng Inficon với trụ sở sản xuất và phát triển ở Cologne_ một chuyên gia trong kiểm tra rò rỉ, đã phát triển phương pháp mới có thể phát hiện rò rỉ nhỏ nhất từ khối pin.

Các dạng lỗi hư hỏng của pin

Pin lithium-ion có thể được phân loại dựa vào hình dáng của chúng như dạng hình trụ, hình nút nhưng đôi khi cũng có dạng tấm pin mỏng.
Tất cả các dạng pin đều có đặc điểm hư hỏng chung là: nếu chất điện phân rò rỉ ra bên ngoài thì dung lượng và tuổi thọ pin sẽ giảm. Hoặc khi môi chất từ không khí bên ngoài xâm nhập vào pin và phản ứng với chất điện giải sẽ tạo ra axit hydrofluoric.
Việc này sẽ gây ra nhiều chỗ rò rỉ trên thân pin và dần dần giảm tuổi thọ pin.

Một hư hỏng thường xảy ra với các tấm pin mềm. Đối với pin hình trụ và hình nút, chất điện phân được bơm vào pin với áp suất khí quyển. Trong khi bên trong các tấm pin thường là áp suất âm. Vì thế rò rỉ trên các pin dạng tấm sẽ hút không khí bên ngoài vào và làm giảm dung tích cũng như sự ổn định cơ học của pin.

Các phương pháp kiểm tra rò rỉ phổ biến hiện nay

Phương pháp kiểm tra dựa vào sự suy giảm áp suất

Đây là một phương pháp rẻ nhưng không đáng tin cậy cho việc kiểm tra rò rỉ pin.
Cách kiểm tra: Buồng thử được bơm đầy không khí và ta sẽ đo sự thay đổi áp suất theo thời gian khi không khí đó xâm nhập vào pin qua chỗ rò rỉ. Ở thực nghiệm, tỷ lệ rò rỉ thường 10^-3 mbar∙l/s. Nhưng phép đo này chịu ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi bất thường của nhiệt độ. Nên nếu nhiệt độ tăng dù là rất nhỏ thì rò rỉ không thể bị phát hiện nhưng nếu nhiệt độ giảm, sẽ dẫn đến việc phát hiện rò rỉ “ma”.

Phương pháp helium bombing

Phương pháp helium bombing có độ nhạy cao nhưng kém tin cậy trong việc kiểm tra pin.
Cách kiểm tra: Khối pin sau khi được hút chân không sẽ được đặt trong buồng với khoảng 5 bar áp suất khí heli. Nếu có rò rỉ, khí heli sẽ xâm nhập vào pin. Sau đó buồng được hút sạch và nếu có khí heli xâm nhập vào vị trí rò rỉ tại công đoạn trước, nó sẽ bị phát hiện ngay. Tuy nhiên, ta sẽ không thể phát hiện chính xác vị trí rò rỉ và một lượng khí heli nhỏ có thể hòa trộn vào chất điện phân và không rò rỉ ra bên ngoài. Dẫn tới kết quả kiểm tra không chính xác.

Kiểm tra rò rỉ kiểu hút (sniffer)

Cách kiểm tra: sử dụng tay dò kiểu hút để ngửi khi có khí thoát ra từ chỗ rò rỉ.
Với điều kiện áp suất bên ngoài là áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng 20 độ C. Áp suất hơi của dung môi điện phân thoát ra từ chỗ rò rỉ của pin thường rất thấp. Đối với các dung môi như EMC hoặc DMC, áp suất hơi với điều kiện như trên chỉ 43 hoặc 53 mbar. Riêng DEC chỉ 13 mbar. Tình huống sẽ khác khi kiểm tra pin trong buồng chân không.

Giải pháp kiểm tra rò rỉ đến từ INFICON

Inficon sử dụng hiệu ứng này trong phương pháp kiểm tra rò rỉ hoàn toàn. Bởi vì nếu pin đặt trong chân không, khi có rò rỉ, môi chất thoát ra trong buồng chân không bay hơi nhanh và dễ dàng bị phát hiện. Với cách này ELT3000 từ Inficon có thể phát hiện trực tiếp môi chất rò rỉ từ pin bất kể là DMC, DEC hay EMC. Phương pháp tiên tiến này có thể phát hiện rò rỉ pin lithium dạng trụ, dạng nút cũng như dạng tấm pin.

Tỷ lệ và đường kính rò rỉ

Phương pháp mới có thể phát hiện rò rỉ heli tới 1∙10^-6 mbar∙l/s.
Với trường hợp tấm pin với áp suất bên trong là 400 mbar và độ dày của màng khoảng 150 µm có thể có đường kính rò rỉ nhỏ nhất là 1.9 µm.
Với pin thông thường thì thành vỏ pin khoảng 1mm và áp suất bên trong khoảng 1000 mbar thì phương pháp của Inficon có thể phát hiện đường kính rò rỉ khoảng 1.7 µm.
Về cơ bản thì chất điện phân không thể thoát ra khỏi pin và độ ẩm cũng không thể xâm nhập vào pin với kích thước như thế.
Việc kiểm tra rò rỉ với tỷ lện 1∙10^-6 mbar∙l/s để đảm bảo rằng tuổi thọ pin có thể đạt ba đến năm năm mà nền công nghiệp 3C mong muốn.

Kiểm tra chân không cho mọi loại pin

Hệ thống mới từ hãng Inficon cho việc phát hiện môi chất rò rỉ bao gồm các thành phần: một hệ thống phát hiện khí cho chất điện dung (GDU- Gas Detection Unit), và một bộ điều khiển cho dòng chảy của khí gas (GCU- Gas Control Unit). Hãng cũng cung cấp nhiều loại buồng chân không cho việc kiểm tra pin tròn, pin hình nút và pin dạng tấm mỏng và mềm. Bộ điều khiển sẽ tạo ra chân không tuyệt đối 5 mbar. Việc chênh lệch giữ áp suất chất điện phân trong (vài trăm mbar) và ngoài pin sẽ khiến môi chất thoát ra ngay vị trí rò rỉ và bay hơi trong buồng chân không. Khối phổ kế của hệ thống sẽ phát hiện môi chất cũng như rò rỉ nhanh chóng.

Kiểm tra chân không trên tấm pin mềm

Cho đến bây giờ, việc kiểm tra chân không trên các tấm pin mềm vẫn không khả thi vì việc chênh lệch áp suất bên trong pin và ngoài (buồng chân không) sẽ làm pin bị phù và hư hỏng.
Vấn đề đã được giải quyết khi hãng Inficon phát minh ra buồng thử FTC3000.

Một màng mỏng ôm chặt thân pin trong quá trình hút chân không và giữ pin ổn định. Việc này sẽ ngăn chặn việc pin bị phồng hoặc thậm chí là nổ tung. Buồng chân không này cũng là một công cụ tốt cho bộ phát triển để thử nghiệm nhiều hình dạng pin. ELT3000 được thiết kế cho việc sử dụng trên dây truyền sản xuất tự động.

Luôn kiểm soát được kết quả

Thiết bị mới của Inficon giảm tối đa lỗi do con người và có thể được vận hành một cách trực quan nhờ vào quy trình kiểm tra đơn giản và màn hình cảm ứng.
Nó có thể được hiệu chuẩn nhờ bộ phát hiện nhận dạng môi chất E-Check. Hệ thống so sánh kết quả kiểm tra với giới hạn đặt và phát hiện rò rỉ ngay tức khắc. Việc gán kết quả kiểm tra cho vật test tương ứng cũng trở nên dễ dàng bằng máy quét mã vạch được kết nối theo chuẩn trên thiết bị. Hệ thống sẽ liên kết kết quả chính xác với tem ID và thời gian kiểm tra.

Kiểm tra theo đợt và chu kỳ ngắn

Đối với phương pháp kiểm tra mới này trong dây chuyền sản xuất, chu kỳ kiểm tra phụ thuộc vào kích cỡ của buồng kiểm tra và người dùng có muốn sử dụng các cơ chế bảo vệ như là súc rửa buồng hay không. Thông thường chu kỳ kiểm tra cho buồng nhỏ khoảng 45 đến 60 giây theo Inficon. 10 đến 30 giây sẽ là thời gian bơm hút và thời gian đo thực chất chỉ 10 giây.

Khi kiểm tra trong các buồng lớn, nên sử dụng bơm bên ngoài để có thể hút sâu hơn và giảm thời gian. Trong công nghiệp, để có thể kiểm tra được nhiều pin một đợt thì cần cách tay rô-bốt hoặc tay gắp thủy lực.

Quy trình sản xuất pin đảm bảo chất lượng

Nhờ khối phổ kế và phương pháp chân không, thiết bị của Inficon có thể phát hiện rò rỉ nhỏ hơn gấp một ngàn lần so với các phương pháp truyền thống khi kiểm tra rò rỉ pin lithium-ion. Cùng thời điểm, phương pháp mới có thể cho ra kết quả có độ tin cậy cao hơn là phương pháp heli bombing. Việc phát hiện rò rỉ trực tiếp môi chất điện phân mở ra những cơ hội hoàn toàn mới trong việc đảm bảo chất lượng pin kể cả pin trong điện thoại hoặc thiệt bị y tế.

(Theo Yessica Brachthäuser –  Inficon)