Yu Ki San
Topaz
Trong bối cảnh các vụ cháy nổ do pin lithium-ion ngày càng trở thành một mối lo ngại lớn, các kỹ sư và nhà khoa học trên khắp thế giới đang phát triển nhiều giải pháp thông minh để hạn chế rủi ro này. Hai hướng đi mới đầy hứa hẹn vừa được công bố, một là tích hợp trực tiếp chất chữa cháy vào pin, và hai là sử dụng các cảm biến thông minh để cảnh báo sớm nguy cơ.
Pin lithium-ion là công nghệ hàng đầu cho xe điện và các thiết bị di động nhờ mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, chúng cũng tiềm ẩn một nguy cơ nghiêm trọng được gọi là "thoát nhiệt" (thermal runaway). Đây là một phản ứng dây chuyền, trong đó một tế bào pin bị lỗi sẽ nóng lên nhanh chóng, làm tăng nhiệt độ của các tế bào lân cận, có thể dẫn đến một vụ cháy dữ dội, khó dập tắt và thải ra các hóa chất độc hại. Trong một số trường hợp, một vụ cháy pin lithium trên xe điện có thể cần tới gần 114.000 lít nước mới có thể dập tắt hoàn toàn.
Để giải quyết vấn đề này từ gốc rễ, một nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Ying Zhang từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển một nguyên mẫu pin có khả năng tự dập lửa. Công trình của họ vừa được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Công nghệ của họ tích hợp một loại polymer chống cháy vào bên trong cực âm của pin. Trong các thử nghiệm, khi nhiệt độ bên trong pin vượt quá 100°C, loại polymer đặc biệt này sẽ bắt đầu phân hủy và giải phóng các gốc tự do có khả năng ức chế lửa, ngăn chặn sự tích tụ của các loại khí dễ cháy.
Kết quả cho thấy, trong khi một viên pin lithium tiêu chuẩn sẽ phát nổ trong vòng 13 phút khi nhiệt độ vượt 120°C, thì viên pin nguyên mẫu chỉ đạt đến nhiệt độ tối đa 220°C mà không hề bốc cháy. Nếu có thể được mở rộng quy mô, thiết kế này có thể giúp ngăn chặn vô số vụ cháy pin bằng cách dập tắt ngọn lửa ngay từ khi nó mới nhen nhóm.
Một hướng đi khác, tập trung vào việc phát hiện sớm, đang được các nhà nghiên cứu từ Đại học Surrey ở Anh phát triển. Thay vì chờ đến khi có sự cố, họ tích hợp các cảm biến thông minh siêu nhỏ trực tiếp vào bên trong các thành phần cốt lõi của pin như bộ thu dòng và tấm ngăn.
Không giống như các cảm biến hiện nay thường được đặt bên ngoài và phản ứng quá chậm, các cảm biến mới này có thể giám sát nhiệt độ, áp suất và các thay đổi hóa học bên trong pin theo thời gian thực. Điều này cho phép hệ thống cung cấp các cảnh báo sớm cho người dùng hoặc thậm chí tự động kích hoạt các tính năng dập lửa tích hợp trước khi hiện tượng thoát nhiệt xảy ra.
Tiến sĩ Kai Yang, một trong những người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết công nghệ này có chi phí thấp và tương thích với các quy trình sản xuất pin hiện có. "Vấn đề an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ pin, vẫn là một trong những mối quan tâm lớn nhất. Các cảm biến pin này là cần thiết để cải thiện an toàn và bền vững mà không làm giảm hiệu suất," Giáo sư Ravi Silva, Giám đốc Viện Công nghệ Tiên tiến tại Đại học Surrey, chia sẻ.
Cả hai công nghệ này, dù theo hai hướng tiếp cận khác nhau, đều cho thấy một nỗ lực lớn của cộng đồng khoa học trong việc làm cho pin lithium-ion trở nên an toàn và đáng tin cậy hơn, một yếu tố then chốt để thúc đẩy cuộc cách mạng xe điện và các thiết bị lưu trữ năng lượng trong tương lai.
"Thoát nhiệt" - Mối nguy hiểm tiềm ẩn trong xe điện
Pin lithium-ion là công nghệ hàng đầu cho xe điện và các thiết bị di động nhờ mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, chúng cũng tiềm ẩn một nguy cơ nghiêm trọng được gọi là "thoát nhiệt" (thermal runaway). Đây là một phản ứng dây chuyền, trong đó một tế bào pin bị lỗi sẽ nóng lên nhanh chóng, làm tăng nhiệt độ của các tế bào lân cận, có thể dẫn đến một vụ cháy dữ dội, khó dập tắt và thải ra các hóa chất độc hại. Trong một số trường hợp, một vụ cháy pin lithium trên xe điện có thể cần tới gần 114.000 lít nước mới có thể dập tắt hoàn toàn.
Pin lithium tích hợp chất chữa cháy
Để giải quyết vấn đề này từ gốc rễ, một nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Ying Zhang từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển một nguyên mẫu pin có khả năng tự dập lửa. Công trình của họ vừa được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Công nghệ của họ tích hợp một loại polymer chống cháy vào bên trong cực âm của pin. Trong các thử nghiệm, khi nhiệt độ bên trong pin vượt quá 100°C, loại polymer đặc biệt này sẽ bắt đầu phân hủy và giải phóng các gốc tự do có khả năng ức chế lửa, ngăn chặn sự tích tụ của các loại khí dễ cháy.
Kết quả cho thấy, trong khi một viên pin lithium tiêu chuẩn sẽ phát nổ trong vòng 13 phút khi nhiệt độ vượt 120°C, thì viên pin nguyên mẫu chỉ đạt đến nhiệt độ tối đa 220°C mà không hề bốc cháy. Nếu có thể được mở rộng quy mô, thiết kế này có thể giúp ngăn chặn vô số vụ cháy pin bằng cách dập tắt ngọn lửa ngay từ khi nó mới nhen nhóm.
Cảm biến thông minh giám sát pin từ bên trong
Một hướng đi khác, tập trung vào việc phát hiện sớm, đang được các nhà nghiên cứu từ Đại học Surrey ở Anh phát triển. Thay vì chờ đến khi có sự cố, họ tích hợp các cảm biến thông minh siêu nhỏ trực tiếp vào bên trong các thành phần cốt lõi của pin như bộ thu dòng và tấm ngăn.
Không giống như các cảm biến hiện nay thường được đặt bên ngoài và phản ứng quá chậm, các cảm biến mới này có thể giám sát nhiệt độ, áp suất và các thay đổi hóa học bên trong pin theo thời gian thực. Điều này cho phép hệ thống cung cấp các cảnh báo sớm cho người dùng hoặc thậm chí tự động kích hoạt các tính năng dập lửa tích hợp trước khi hiện tượng thoát nhiệt xảy ra.
Tiến sĩ Kai Yang, một trong những người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết công nghệ này có chi phí thấp và tương thích với các quy trình sản xuất pin hiện có. "Vấn đề an toàn, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ pin, vẫn là một trong những mối quan tâm lớn nhất. Các cảm biến pin này là cần thiết để cải thiện an toàn và bền vững mà không làm giảm hiệu suất," Giáo sư Ravi Silva, Giám đốc Viện Công nghệ Tiên tiến tại Đại học Surrey, chia sẻ.
Cả hai công nghệ này, dù theo hai hướng tiếp cận khác nhau, đều cho thấy một nỗ lực lớn của cộng đồng khoa học trong việc làm cho pin lithium-ion trở nên an toàn và đáng tin cậy hơn, một yếu tố then chốt để thúc đẩy cuộc cách mạng xe điện và các thiết bị lưu trữ năng lượng trong tương lai.