Focus on Arts and Ecology

Tác giả

1. Apparao Rao

   Giáo Sư Vật Lý, Trường Đại Học Clemson

2. Bingan Lu

   Phó Giáo Sư Vật Lý và Điện Tử, Trường Đại Học Hồ Nam

3. Mihir Parekh

   Nghiên Cứu Sinh Sau Tiến Sĩ về Vật Lý và Thiên Văn Học, Trường Đại Học Clemson

4. Morteza Sabet

   Phó Giáo Sư Nghiên Cứu về Kỹ Thuật Ô Tô, Trường Đại Học Clemson

5.  Ngày 26/9/2023

Vào tháng 6/2023, một đám cháy bắt đầu xảy ra tại cửa hàng xe đạp điện tử này ở thành phố New York và lan lên các tầng trên của tòa nhà. AP Photo/Bebeto Matthews

Trong thời đại điện tử ngày nay, chúng ta thấy khắp nơi loại pin lithium-ion có thể sạc lại được. So với các phiên bản axit chì đã thống trị thị trường pin trong nhiều thập kỷ, pin lithium-ion có thể sạc nhanh hơn và lưu trữ nhiều năng lượng hơn với cùng trọng lượng.

Những thiết bị này làm cho các thiết bị điện tử và ô tô điện nhẹ hơn và bền hơn – nhưng chúng cũng có những nhược điểm. Chúng có rất nhiều năng lượng và khi bắt lửa, chúng sẽ cháy cho đến khi giải phóng hết toàn bộ số năng lượng được dự trữ đó. Việc giải phóng đột ngột một lượng lớn năng lượng có thể dẫn đến những vụ nổ đe dọa đến tính mạng và tài sản.

Là những nhà khoa học nghiên cứu về việc phát sinh, lưu trữ và chuyển đổi năng lượng, cũng như kỹ thuật ô tô, chúng tôi rất quan tâm đến việc phát triển các loại pin giàu năng lượng và an toàn. Và chúng tôi thấy nhiều dấu hiệu khích lệ khi các nhà sản xuất pin đang đạt được tiến bộ trong việc giải quyết vấn đề kỹ thuật quan trọng này.

Nguy cơ hỏa hoạn mới

Giao thông đô thị đang trải qua quá trình chuyển đổi theo hướng điện khí hóa. Khi các mối quan ngại ngày càng tăng ở các thành phố trên khắp thế giới về biến đổi khí hậu và chất lượng không khí, xe điện đã chiếm vị trí trung tâm.

Đồng thời, xe đạp điện và xe máy điện đang chuyển đổi phương tiện giao thông đô thị bằng cách cung cấp những phương tiện thuận tiện, ít phát thải carbon để di chuyển trên những con phố đông đúc và giảm tắc nghẽn giao thông. Từ năm 2010 đến năm 2022, xe đạp điện và xe máy điện – thuộc sở hữu của mạng lưới cho thuê - đã chiếm hơn nửa tỷ chuyến ở các thành phố của Hoa Kỳ. Xe đạp điện thuộc sở hữu tư nhân sẽ cộng thêm vào tổng số đó: Năm 2021, trên 880.000 xe đạp điện đã được bán ở Hoa Kỳ, so với 608.000 ô tô và xe tải điện.

Xe chạy bằng pin chiếm một tỷ lệ nhỏ các vụ cháy ô tô nhưng rất khó kiểm soát các vụ cháy xe điện. Đám cháy xe điện thường sẽ cháy ở nhiệt độ khoảng 5.000 độ F (2.760 độ C), trong khi một chiếc xe chạy xăng khi cháy sẽ cháy ở nhiệt độ 1.500 F (815 C). Sẽ cần khoảng 2.000 gallon (~ 7m3) nước để dập tắt một xe chạy xăng đang cháy; để dập tắt một đám cháy xe điện có thể mất 10 lần hơn thế.

Đây là một mối quan ngại lớn ở các thành phố lớn, nơi xe điện rất phổ biến. Sở cứu hỏa ở Thành Phố New York và San Francisco đã báo cáo xử lý trên 660 vụ cháy liên quan đến pin lithium-ion từ năm 2019. Tại Thành Phố New York, những vụ hỏa hoạn này đã khiến 12 người chết và hơn 260 người bị thương từ năm 2021 đến đầu năm 2023. Rõ ràng, cần có những biện pháp xử lý và sạc an toàn hơn cũng như những cải tiến kỹ thuật đối với pin.

Xe đạp điện phổ biến đối với dịch vụ giao hàng nơi đô thị, điều này có nghĩa là nhiều người sử dụng dựa vào chúng để có thu nhập. Lindsey Nicholson/UCG/Universal Images Group via Getty Images

Rất nhiều pin trong một chiếc xe điện

Để hiểu việc cháy pin lithium-ion, điều quan trọng là biết một số điều cơ bản. Pin có nhiều hóa chất chứa năng lượng, với bộ phân ly giữa điện cực dương và điện cực âm. Pin hoạt động bằng việc chuyển đổi năng lượng này thành điện.

Hai điện cực trong pin được bao quanh bởi một chất điện phân – cho phép dòng điện chạy giữa hai cực. Ví dụ, trong pin lithium-ion, các ion lithium sẽ mang điện tích. Khi thiết bị được nối với pin, phản ứng hóa học sẽ diễn ra trên các điện cực và tạo ra một dòng điện tử ở mạch ngoài cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Khi pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho thiết bị, các ion lithium – các nguyên tử mang điện tích – sẽ đi từ cực dương sang cực âm. Các ion sẽ đi ngược lại khi sạc. Argonne National Laboratory/Flickr, CC BY-NC-SA

Điện thoại di động và máy ảnh kỹ thuật số có thể hoạt động bằng một quả pin duy nhất, nhưng ô tô điện cần nhiều năng lượng và điện hơn nhiều. Tùy vào thiết kế, một xe điện có thể chứa hàng chục đến hàng nghìn quả pin, còn gọi là các tế bào quang điện. Các tế bào quang điện được tập trung với nhau thành các tập hợp được gọi là các mô-đun, và rồi được lắp với nhau thành từng bộ. Một xe điện chuẩn sẽ chứa một bộ pin lớn có rất nhiều tế bào quang điện trong đó.

Đâu là nguyên nhân gây cháy pin

Thường thì, việc cháy pin sẽ bắt đầu từ một tế bào quang điện bên trong bộ pin lớn. Có ba lý do chính dẫn đến một quả pin bốc cháy: tác hại cơ học, chẳng hạn như bị đè bẹp hoặc xuyên thủng khi xe va chạm; tác hại về điện do đoản mạchbên ngoài hoặc bên trong; hoặc quá nóng.

Đoản mạch pin có thể do xử lý bên ngoài bị lỗi hoặc phản ứng hóa học ngoài mong muốn trong tế bào quang điện. Khi pin lithium-ion được sạc quá nhanh, phản ứng hóa học có thể tạo ra nhiều mũi kim lithium rất sắc được gọi là các tinh thể nhiều nhánh trên cực dương của pin – điện cực mang điện tích âm. Cuối cùng, chúng thâm nhập vào bộ phân ly và vươn sang điện cực bên kia, gây đoản mạch pin từ bên trong.

Việc đoản mạch này sẽ làm nóng pin đến trên 212 F (100 C). Nhiệt độ pin ban đầu sẽ tăng từ từ, rồi sau đó đồng loạt, tăng vọt lên nhiệt độ cao nhất trong khoảng một giây.

Một yếu tố khác khiến việc xử lý các vụ cháy pin lithium-ion khó khăn là việc phát sinh oxy. Khi các oxit kim loại ở cực âm, hay điện cực tích điện dương của pin, bị nung nóng, chúngsẽ phân hủy và giải phóng oxy. Lửa cần oxy để cháy, nên một quả pin mà có thể tạo ra oxy thì có thể duy trì lửa.

Bởi bản chất này của chất điện phân, việc tăng 20% nhiệt độ pin lithium-ion sẽ dẫn đến một số phản ứng hóa học không mong muốn diễn ra nhanh hơn nhiều mà sẽ giải phóng rất nhiều nhiệt. Lượng nhiệt này sẽ làm tăng nhiệt độ của pin, mà nói cách khác là sẽ đẩy nhanh tốc độ của các phản ứng. Nhiệt độ pin tăng sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, tạo ra một quá trình được gọi là chuỗi phản ứng nhiệt. Khi điều này xảy ra, nhiệt độ trong pin có thể tăng từ 212 F (100 C) lên 1.800 F (1000 C) trong một giây.

Trong chuỗi phản ứng nhiệt, pin lithium-ion sẽ đi vào trạng thái tự nóng lên không thể kiểm soát mà có thể dẫn đến cháy nổ.

Cách xử lý chuỗi phản ứng nhiệt

Các biện pháp đảm bảo an toàn của pin có thể tập trung vào tình trạng bên trong hoặc bên ngoài pin. Bảo vệ bên ngoài thường liên quan đến việc sử dụng các thiết bị điện tử, như cảm biến nhiệt và van áp suất, để đảm bảo pin không phải chịu nhiệt hoặc lực có thể gây ra tai nạn.

Tuy nhiên, những cơ chế này sẽ làm cho pin to và nặng hơn mà có thể làm giảm hiệu suất của thiết bị mà nó cung cấp năng lượng. Chúng đồng thời có thể không đáng tin cậy khi phải chịu nhiệt độ hoặc áp suất khắc nghiệt, như khi có tai nạn ô tô chẳng hạn.

Chiến lược bảo vệ từ bên trong sẽ tập trung vào việc sử dụng các chất liệu an toàn về bản chất cho các cấu thành của pin. Phương pháp này sẽ đưa ra cơ hội giải quyết các nguy cơ tiềm năng ngay tại nguồn.

Để giảm cường độ chuỗi phản ứng nhiệt trong pin đòi hỏi sự kết hợp của các cải tiến cả về phần cứng và phần mềm. Các nhà khoa học đang tiến hành xây dựng các cực âm mà sẽ giải phóng ít oxy hơn khi bị hỏng; chất điện giải không cháy; chất điện phân ở thể rắn, mà sẽ không bắt lửa và cũng có thể giúp giảm hình thành tinh thể nhiều nhánh; và các bộ phân ly mà có thể chịu được nhiệt độ cao mà không tan chảy.

Một giải pháp khác đã được sử dụng: hệ thống kiểm soát pin. Đây là các gói phần cứng và phần mềm được tích hợp vào bộ pin có thể theo dõi các thông số quan trọng của pin, chẳng hạn như tình trạng sạc điện, áp suất bên trong, và nhiệt độ của các tế bào quang điện trong bộ pin.

Chỉ như bác sĩ sử dụng các triệu chứng của bệnh nhân để chẩn đoán và điều trị bệnh, hệ thống kiểm soát pin có thể chẩn đoán tình trạng bên trong bộ pin và tự động đưa ra quyết định ngắt pin khi có các điểm nóng, hoặc thay đổi sự phân bổ tải sao cho pin không bị trở nên quá nóng.

Các hóa học của pin hiện đang phát triển một cách nhanh chóng, nên thiết kế mới sẽ cần các hệ thống kiểm soát pin mới. Nhiều nhà sản xuất pin hiện đang lập các quan hệ đối tác để đưa các nhà sản xuất lại với nhau với kiến thức chuyên môn bổ sung về pin để giải quyết thách thức này.

Người dùng cũng có thể thực hiện các bước để tối đa hóa sự an toàn. Sử dụng thiết bị và ổ cắm sạc được khuyến nghị bởi nhà sản xuất, đồng thời tránh sạc quá mức hoặc để xe điện cắm qua đêm. Kiểm tra pin thường xuyên để phát hiện các dấu hiệu hư hỏng hoặc quá nóng. Đỗ xe tránh xa những nơi quá nóng hoặc quá lạnh – ví dụ: đỗ xe trong bóng râm trong những đợt nắng nóng – để tránh tác động của sức nhiệt lên ắc quy.

Cuối cùng thì, trong trường hợp xảy ra va chạm hoặc tai nạn liên quan đến xe điện, vui lòng làm theo hướng dẫn an toàn của nhà sản xuất và ngắt pin nếu có thể để giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn hoặc điện giật.

(Nguồn: The Conversation)

Tuyên bố công khai:

Các tác giả không làm việc, tư vấn, sở hữu cổ phần hoặc nhận tài trợ từ bất kỳ công ty hoặc tổ chức nào được hưởng lợi từ bài viết này và không tiết lộ sự liên hệ liên quan nào ngoài công việc học tập của họ.