Thiết kế pin lithium-ion không bắt lửa vào bệ phóng thương mại hoá

Nguy cơ cháy nổ từ pin lithium-ion

Trong đời sống hiện đại, pin lithium-ion xuất hiện ở hầu hết các thiết bị, từ điện thoại thông minh đến ô tô điện. Dù nhìn chung được đánh giá là an toàn nếu bảo quản và sạc đúng cách, hàng nghìn vụ việc pin bốc cháy đã được ghi nhận, trong một số trường hợp gây hậu quả chết người.

Theo CNN, pin lithium-ion chứa chất điện phân dễ cháy - một dung dịch lỏng gồm muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ, cho phép dòng điện lưu thông. Pin có thể trở nên không ổn định trong một số điều kiện nhất định như hư hỏng vật lý, sạc quá mức, nhiệt độ cao hoặc lỗi trong quá trình sản xuất. Khi xảy ra sự cố, pin có thể nóng lên và bốc cháy rất nhanh, kích hoạt một phản ứng dây chuyền nguy hiểm được gọi là “hiện tượng quá nhiệt”.

Ngành hàng không thương mại đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi rủi ro này, do các thiết bị chạy bằng pin thường xuyên được mang theo lên máy bay. Một khi pin phát nổ trong khoang hành khách hoặc khoang hàng, hậu quả có thể rất nghiêm trọng. Tại Mỹ, Cục Hàng không Liên bang (FAA) từ lâu đã cấm mang pin lithium-ion dự phòng trong hành lý ký gửi và yêu cầu pin mang lên khoang hành khách phải được đặt ở vị trí dễ tiếp cận. Trong năm 2024, FAA ghi nhận 89 sự cố liên quan đến pin gây khói, cháy hoặc nhiệt độ cực cao trên các chuyến bay chở khách và chở hàng, cùng 38 sự cố trong nửa đầu năm 2025.

Những sự cố như vậy có thể dẫn đến việc mất hoàn toàn máy bay, điển hình là vụ chiếc Airbus A321 bị thiêu rụi hồi tháng 1 tại Busan, Hàn Quốc. Theo các nhà điều tra, đám cháy có thể bắt nguồn từ một pin sạc dự phòng được cất giữ trong khoang hành lý phía trên, khiến một số hãng hàng không quyết định cấm sử dụng thiết bị này.

Rủi ro từ hiện tượng quá nhiệt cũng lan sang môi trường dân dụng, đặc biệt là các vụ cháy liên quan đến pin xe đạp điện và xe máy điện. Một khảo sát do công ty bảo hiểm Aviva thực hiện năm 2024 với hơn 500 doanh nghiệp tại Anh cho thấy hơn một nửa số doanh nghiệp từng gặp sự cố liên quan đến pin lithium-ion, bao gồm phát tia lửa điện, cháy hoặc nổ.

Thiết kế pin mới nhằm giảm nguy cơ cháy

Trước những rủi ro trên, các nhà nghiên cứu trên thế giới đang tìm cách phát triển các loại pin an toàn hơn, chẳng hạn thay thế chất điện phân lỏng bằng chất rắn hoặc gel có khả năng chống cháy tốt hơn. Tuy nhiên, những giải pháp này thường đòi hỏi thay đổi lớn trong dây chuyền sản xuất hiện tại, gây khó khăn cho việc triển khai trên diện rộng.

Gần đây, một nhóm nhà khoa học từ Đại học Trung văn Hong Kong đã đề xuất một cải tiến trong thiết kế pin lithium-ion có thể dễ dàng tích hợp vào quy trình sản xuất hiện có, do chỉ cần thay thế các thành phần hóa học trong dung dịch điện phân.

“Tôi nghĩ điều khó khăn nhất là khi tối ưu hóa hiệu suất pin, đôi khi chúng ta phải đánh đổi sự an toàn”, Yue Sun, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Virginia Tech và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Ông giải thích rằng việc nâng cao hiệu suất thường tập trung vào các phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng, trong khi an toàn lại liên quan đến những phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao.

“Vì vậy, chúng tôi đưa ra ý tưởng phá vỡ sự đánh đổi này bằng cách thiết kế một vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, vừa duy trì hiệu suất tốt ở nhiệt độ phòng, vừa đảm bảo độ ổn định cao khi pin nóng lên”, Sun nói.

Theo nhóm nghiên cứu, các vụ cháy pin thường bắt đầu khi một phần chất điện phân bị phân hủy dưới áp lực và giải phóng nhiệt, kích hoạt phản ứng dây chuyền. Thiết kế mới sử dụng một chất điện phân gồm hai dung môi để ngăn chặn quá trình này. Ở nhiệt độ phòng, dung môi thứ nhất giữ cấu trúc hóa học của pin ổn định nhằm tối ưu hiệu suất. Khi nhiệt độ tăng, dung môi thứ hai sẽ phát huy tác dụng, làm lỏng cấu trúc đó và làm chậm các phản ứng có thể dẫn đến hiện tượng quá nhiệt.

Trong các thử nghiệm, pin sử dụng thiết kế mới chỉ tăng nhiệt độ 3,5°C khi bị đâm thủng bằng đinh, so với mức tăng đột biến 555°C ở pin truyền thống. Các nhà nghiên cứu cho biết thiết kế này không gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hay độ bền, khi pin vẫn duy trì hơn 80% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc.

“Vì phát minh của chúng tôi nằm ở chất điện phân, nó có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống pin đang được thương mại hóa. Về cơ bản, chỉ cần thay thế dung dịch điện phân”, Yi-Chun Lu, một trong các tác giả nghiên cứu, cho biết. Ông nói thêm rằng do chất điện phân là dạng lỏng, nó có thể được bơm trực tiếp vào pin mà không cần thiết bị hay quy trình sản xuất mới.

Theo ông Lu, công thức hóa học mới sẽ làm tăng nhẹ chi phí sản xuất, nhưng ở quy mô lớn, giá thành sẽ ở mức tương đương các loại pin hiện nay. Nhóm nghiên cứu đang thảo luận với các nhà sản xuất pin để thương mại hóa thiết kế này, một quá trình có thể kéo dài từ 3 đến 5 năm.

Hiện nhóm đã chế tạo được một viên pin đủ lớn để cung cấp năng lượng cho máy tính bảng, song vẫn cần thêm các thử nghiệm để mở rộng quy mô lên pin cỡ lớn dùng cho ô tô.

Các chuyên gia về an toàn pin lithium không tham gia nghiên cứu cũng đánh giá tích cực kết quả này. Donal Finegan, nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ, nhận định thiết kế mới là một bước tiến đáng chú ý, cho phép pin chịu được nhiệt độ cao và đoản mạch mà không gây cháy, đồng thời không làm suy giảm đáng kể tuổi thọ chu kỳ - yếu tố quan trọng để ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống pin thương mại.