Những điều cần biết về Pin Lithium-ion

Các tập đoàn hàng không lớn cũng chú ý đến việc phát triển những máy bay điện thay vì dùng nhiên liệu lỏng như hiện nay. Chính vì vậy, ngành công nghiệp Pin Lithium-ion đang ngày càng phát triển mạnh và được dự đoán có thể vượt mốc 92 tỷ USD vào năm 2024.

Tầm quan trọng của Pin Lithium-ion

Kể từ khi tập đoàn Sony lần đầu tiên thương mại hóa Pin Lithium-ion vào năm 1991, hàng tỷ Pin Lithium-ion đã được sản xuất cho thiết bị điện tử cầm tay và nhiều thiết bị điện lớn khác.

Trong bối cảnh nhiều quốc gia đang chạy đua phát triển xe điện và năng lượng tái tạo nhằm hướng tới mục tiêu phát triển nền kinh tế xanh, cân bằng và bền vững hơn, nhu cầu về lithium – nguyên liệu được mệnh danh là “dầu trắng”- cũng tăng vọt.

Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới.

Ngay từ năm 2016, Diễn đàn Kinh tế thế giới đã công bố rằng, pin sản xuất từ lithium sẽ là cốt lõi cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư và chuyển đổi sang nền kinh tế xanh. Hiện nay, nhiều quốc gia xem loại pin này là một phần không thể thiếu trong thời đại công nghệ kỹ thuật số, đồng thời là “chìa khóa” mở ra tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, góp phần giảm thiểu những tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.

Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới. Pin giờ đây còn quan trọng hơn cả dầu mỏ, trong tương lai, quốc gia nào làm chủ chuỗi cung ứng sản phầm này sẽ chiếm ưu thế trong nhiều lĩnh vực.

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, Pin Lithium-ion sẽ là chìa khóa để khắc phục nhược điểm của năng lượng mặt trời và điện gió là tính bất ổn do phụ thược vào thời tiết. Bằng khả năng lưu trữ dường như không giới hạn của nó sẽ giúp điện mặt trời và điện gió sẵn có bất kể ngày đêm.

Cấu tạo của Pin Lithium-ion

Bốn thành phần chính của pin Lithium-ion là cực âm, chất điện phân, bộ phân tách và cực dương. Cực dương lưu trữ các ion Lithium trong quá trình sạc và các ion Lithium di chuyển đến cực âm trong quá trình phóng điện.

Cấu tạo của pin Lithium-ion

Điện cực dương được kết hợp từ hai vật liệu là LicoO2 và LiMnO4 với cấu trúc phân tử bao gồm Oxide và Coban được liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện đi qua thì nguyên tử Lithium sẽ nhanh chóng tách khỏi cấu trúc và tạo thành ion dương Li+.

Điện cực âm được tổng hợp từ Than Chì và các vật liệu phân tử Cacbon với chức năng lưu giữ các ion Li+ trong tinh thể.

Bộ phân tách hay còn được gọi là màng ngăn cách điện, được làm từ nhựa PE và PP nằm ở giữa cực dương và cực âm. Bộ phân tách có nhiều lỗ nhỏ với chức năng ngăn cách hai cực tuy nhiên vẫn sẽ cho Li+ đi qua.

Quy trình sạc pin Lithium-ion

Chất lỏng ở giữa hai cực và màng phân cách chính là chất điện phân. Trong chất điện phân có chứa 2 dùng dịch là LiPF6 và dung môi hữu cơ.

Chất điện phân đóng vai trò như môi trường truyền tải ion Li+ giữa 2 đầu cực trong quá trình sạc và sử dụng pin. Nguyên tắc trong dung dịch điện ly phải có độ vẫn ion tốt cụ thể như dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng.

Ion Liti sẽ mang điện dương di chuyển từ cực âm đi qua dung dịch điện ly sang cực dương và cực dương sẽ tạo ra phản ứng với ion liti. Mỗi ion khi di chuyển từ âm sang dương trong thì sẽ ở mạch ngoài và cũng sẽ có một 1 electron cũng chuyển từ âm sang dương tiếp. Sẽ tạo ra dòng điện chạy từ cực dương sang âm và chính điều này sẽ làm chân bằng điện tích ở 2 đầu cực.

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

Nguy cơ cháy Pin Lithium-ion

Nếu được bảo quản và vận hành trong điều kiện khuyến cáo của nhà sản xuất, tỷ lệ lỗi của pin Lithium-ion được ước tính là 1 trên 40 triệu. Tuy nhiên, trong thực tế các yếu tố như sạc quá mức, ảnh hưởng của nguồn nhiệt từ bên ngoài hoặc các tác động cơ học… làm tăng đáng kể xác suất lỗi này. Khác với các viên pin lẻ sử dụng trên điện thoại, khi ghép các viên pin lại với nhau thành các khối pin lớn, nguy cơ xảy ra cháy nổ tăng lên gấp nhiều lần bởi khả năng tiêu tán nhiệt kém, cũng như các vấn đề cần thiết về mạch bảo vệ pin (Battery Management Systems, BMS). Những yếu tố này, nếu người sử dụng không ý thức được, thì sẽ tiềm ẩn những nguy cơ cháy nổ.

Mặc dù nhiều giải pháp an toàn khác nhau đã được tích hợp vào các pin Lithium-ion thương mại, có rất nhiều sự cố cháy nổ liên quan đến pin Lithium-ion đã xảy ra.

Ngày 11/4/2011, xảy ra vụ cháy taxi điện do đoản mạch tại Hàng Châu, Trung Quốc.

Từ tháng 10 đến tháng 11 năm 2013, 06 xe ôtô điện Tesla Model S bốc cháy do va chạm và pin tự bốc cháy.

Từ tháng 1 năm 2013 đến tháng 1 năm 2014, 03 vụ cháy Boeing 747, lần lượt xảy ra tại Boston Mỹ, Takamatsu, Tokyo Nhật Bản. Nguyên nhân các vụ cháy là đoản mạch bên trong của của pin Lithium-ion và sự cố của hệ thống quản lý pin.

Ngày 2/7/2018 xảy ra vụ cháy kèm theo nổ tại hệ thống lưu trữ năng lượng 4MW/12MWh tại Hàn Quốc. Ban đầu 1 pin Lithium ion tự bốc cháy và lan ra tới hơn 3500 pin khác.

Ngày 7/2/2023 xảy ra sự cố cháy pin lithium trong cabin máy bay Boeing 737 của Hãng Hàng không United Airlines khiến bảy người bị thương, trong đó bốn người đã nhập viện, vì bị ngạt khói. Trong 6 tháng đầu năm nay, Sở Cứu hỏa thành phố New York đã ghi nhận tới hơn 100 vụ hỏa hoạn liên quan đến pin lithium của xe điện. Hệ quả là 13 người đã tử vong, tăng gấp 2 lần số ca tử vong trong năm 2022.

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 anốt và chất điện phân, phản ứng giữa vật liệu catốt và sự điện ly, sự phân hủy chất điện ly, và phản ứng giữa cực dương và chất kết dính. Có thể một số quá trình đó xảy ra song song.

Sơ đồ cơ chế và đặc tính cháy của Pin Lithium-ion

Khi pin trong điều kiện có các yếu 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. 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.

Nước vẫn là chất chữa cháy hiệu quả cho Pin Lithium-ion

Theo Cục Cảnh sát PCCC&CNCH, 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 không chỉ giúp ngăn chặn quá trình cháy mà còn có thể làm chậm hoặc ngừng sự lan truyền nhiệt.

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. 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.

Đến thời điểm này, nước vẫn là chất hiệu quả nhất để ngăn chặn đám cháy Pin Lithium-ion do tác dụng làm mát mạnh

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 i 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.

Nguyên Vỵ (tổng hợp)