Nguy cơ mất an toàn từ thiết bị sử dụng pin lithium-ion

Pin lithium-ion là bộ phận phổ biến trong hầu hết mọi thiết bị, từ điện thoại cho tới xe hơi. Về cơ bản, loại pin này rất an toàn trong điều kiện lưu trữ và sạc đúng chuẩn, tuy nhiên vẫn có hàng ngàn vụ việc nguy hiểm do cháy pin lithium-ion.

Một viên pin lithium-ion của xe máy điện bị cháy. (Ảnh: Sở Cứu hỏa và Cứu nạn bang New South Wales, Australia)

Pin lithium-ion chứa chất điện phân dễ cháy, chính là muối lithium hòa tan trong dung dịch hữu cơ. Những viên pin có thể trở nên bất ổn định trong một số điều kiện nhất định như bị đâm thủng, sạc quá mức, quá nhiệt hoặc lỗi sản xuất. Khi gặp trục trặc, một viên pin có thể quá nhiệt và bốc cháy nhanh chóng.

Vấn đề này đặc biệt đáng quan ngại với ngành hàng không, do các thiết bị sử dụng pin xuất hiện khắp nơi trên máy bay. Trong khi hỏa hoạn trên cabin hay khoang hàng máy bay là cực kỳ nguy hiểm.

Ở Mỹ, Cục Hàng không Liên bang (FAA) đã từ lâu nghiêm cấm mang sạc dự phòng lithium-ion trong hành lý, cũng như bắt buộc các loại pin mang lên máy bay phải luôn ở vị trí dễ tiếp cận. Cơ quan này đã ghi nhận 89 sự cố pin gây ra khói, lửa hoặc quá nhiệt trên các chuyến bay chở khách cũng như chở hàng trong năm 2024. Trong nửa đầu 2025, con số này là 38 vụ.

Những vụ việc này có thể dẫn tới thảm họa với toàn bộ máy bay như vụ tàu bay A321 ở Busan, Hàn Quốc. Theo điều tra, lửa có thể bắt nguồn từ pin sạc dự phòng trong khoang hành lý. Do đó, một số hãng hàng không đã cấm hoàn toàn thiết bị này trên các chuyến bay.

Thay đổi nhỏ trong thiết kế có thể gia tăng độ an toàn

Các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu để phát triển loại pin an toàn hơn nữa. Giải pháp được nghiên cứu bao gồm việc thay thế dung môi điện phân bằng một loại gel hoặc chất rắn chống cháy. Tuy nhiên, những giải pháp kể trên yêu cầu sự thay đổi lớn trong dây chuyền sản xuất và đây chính là rào cản để có thể ứng dụng rộng rãi.

Hiện nay, một nhóm nghiên cứu của Đại học Trung văn Hong Kong đã đề xuất thay đổi trong thiết kế pin lithium-ion. Thay đổi này có thể nhanh chóng được áp dụng trong sản xuất pin nhờ một loại hóa chất có sẵn thay thế cho chất điện phân trong pin.

"Do sáng chế của chúng tôi chỉ liên quan tới chất điện phân, nên có thể dễ dàng ứng dụng thực tế với hệ thống sản xuất thương mại có sẵn. Chỉ cần thay loại dung môi đang sử dụng với chất điện phân mới", Giáo sư Yi-Chun Lu tại Đại học Trung văn Hong Kong, cũng là một tác giả của nghiên cứu này cho biết.

"Phần khó nhất trong quá trình sản xuất là các điện cực, phần chất rắn. Tuy nhiên, chất điện phân chúng tôi đưa ra là chất lỏng, thế nên chỉ cần bơm trực tiếp vào viên pin mà không cần thay đổi bổ sung thiết bị sản xuất hay quy trình mới", Giáo sư Lu cho biết.

Cô cho biết việc tối ưu hiệu suất pin khác hoàn toàn với gia tăng độ an toàn, muốn tăng hiệu suất pin thì cần tập trung vào các phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng, trong khi để gia tăng độ an toàn, cần tập trung vào các phản ứng hóa học xảy ra ở điều kiện nhiệt độ cao hơn.

"Do đó, chúng ta giải quyết vấn đề này bằng vật liệu thích ứng nhiệt, có hiệu năng tốt ở nhiệt độ phòng, song cũng ổn định ở nhiệt độ cao", cô cho biết thêm.

Pin phát hỏa khi một phần chất điện phân bị phá vỡ dưới áp lực và giải phóng nhiệt lượng thông qua chuỗi phản ứng. Cô Sun và các đồng nghiệp đã phát triển loại vật liệu bao gồm 2 chất có thể ngăn chặn chuỗi phản ứng này.

Ở nhiệt độ phòng, chất thứ nhất duy trì cấu trúc hóa học chặt chẽ của viên pin, tối ưu hóa hiệu năng, tuy nhiên trong trường hợp nhiệt độ tăng cao, chất thứ hai sẽ hoạt động, ngăn chặn việc phát hỏa bằng cách kéo dãn cấu trúc và làm chậm phản ứng hóa học, qua đó ngăn hiện tượng thoát nhiệt.

Trong phòng thí nghiệm, pin với thiết kế mới này bị chọc thủng chỉ gia nhiệt 3,5 độ C, thay vì 555 độ C ở loại pin truyền thống. Các nhà nghiên cứu cho biết không có ảnh hưởng xấu nào tới độ bền và hiệu suất viên pin. Với thiết kế mới, pin vẫn duy trì được 80% dung lượng sau 1.000 lần sạc.

Hình ảnh từ video ghi lại thử nghiệm phản ứng của pin lithium thông thường (bên phải) và pin lithium với vật liệu mới (bên trái).

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu tạo ra một viên pin đủ lớn để cấp điện cho máy tính xách tay. Tuy nhiên, Giáo sư Lu cho biết vẫn cần đánh giá thêm với kích cỡ pin lớn hơn, ví dụ như pin xe hơi.

Công thức hóa học mới có thể khiến chi phí sản xuất tăng nhẹ. Tuy nhiên, trên quy mô lớn, chi phí vẫn tương đương với mức hiện tại. Các nhà nghiên cứu đang theo đuổi việc thương mại hóa ý tưởng này và đang thảo luận với các nhà sản xuất pin để đưa ra thị trường trong 3 - 5 năm nữa.

Trên thế giới, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực an toàn pin lithium cũng tỏ ra lạc quan về tính thực dụng của nghiên cứu. Nhà khoa học Donal Finegan tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) cho biết thiết kế pin mới là một bước phát triển đầy hứa hẹn và có thể tạo ra loại pin an toàn, chịu nhiệt tốt không cháy khi đoản mạch.

"Chất điện phân mới có thể tăng hiệu suất và không ảnh hưởng tới tuổi thọ pin, qua đó giúp loại bỏ nhiều rào cản đối với việc ứng dụng đại trà trong sản xuất pin thương mại", ông nói thêm.

Giáo sư Gary Koenig tại Đại học Virginia (Mỹ) cho rằng nghiên cứu này cũng tìm ra nhiều chất điện phân và đưa ra nhiều lựa chọn trong cân bằng giữa tuổi thọ và độ chịu nhiệt của pin.

"Từ góc nhìn của nhà sản xuất, việc ứng dụng chất điện phân mới trong thời gian ngắn là khả thi, miễn là không gặp vấn đề về sự tương thích", ông nói.