Thiết kế pin lithium chống cháy nổ an toàn hơn cho xe điện

[june04]

Các kỹ sư đang phát triển nhiều giải pháp thông minh để hạn chế nguy cơ cháy nổ khi sử dụng pin lithium-ion như sử dụng chất chữa cháy hoặc cảm biến thông minh.


Nguy cơ cháy nổ từ pin lithium trở thành mối lo ngại lớn trong công cuộc chuyển đổi sang xe điện. Ảnh: Jensen Hughes

Mật độ năng lượng cao cho phép lưu trữ lượng điện lớn so với kích thước khiến pin lithium-ion trở thành lựa chọn hàng đầu cho xe điện, điện thoại thông minh và nhiều thiết bị sạc lại khác. Tuy nhiên, nếu bị kích cháy, ngọn lửa dữ dội có thể bùng phát nhiều giờ, thải khói chứa đầy hóa chất độc hại. Trong một số trường hợp, vụ cháy pin lithium trên xe cần gần 114.000 lít nước để dập tắt hoàn toàn. Do mối đe dọa này, các kỹ sư liên tục làm việc để cải thiện thiết kế và vỏ pin như tích hợp chất chữa cháy hoặc cảm biến thông minh.

Pin lithium tích hợp chất chữa cháy

Nhóm nghiên cứu do nhà hóa học phân tử Ying Zhang từ Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu phát triển nguyên mẫu pin với cực âm tẩm polymer chống cháy. Sau đó, họ thử nghiệm nó với pin lithium tiêu chuẩn bằng cách tăng dần nhiệt độ bên trong.

Cả hai thiết bị đều bắt đầu nóng quá mức sau khi vượt qua 100 độ C. Ở nhiệt độ đó, polymer chuyên dụng bên trong cực âm bắt đầu phân hủy, giải phóng các gốc ức chế lửa để ngăn chặn tích tụ khí dễ cháy. Ở mức nhiệt trên 120 độ, phản ứng dây chuyền của pin tiêu chuẩn khiến nó phát nổ trong vòng 13 phút, ngọn lửa cuối cùng đạt đến 1.000 độ C. Ngược lại, pin nguyên mẫu đạt nhiệt độ tối đa 220 độ mà không hề bốc cháy. Nếu có thể mở rộng quy mô, thiết kế của Ying và cộng sự có thể giúp ngăn chặn vô số vụ cháy pin bằng cách chặn đứng ngọn lửa ban đầu.

Kết quả được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences hôm 14/7.

Pin lithium tích hợp cảm biến thông minh

Một giải pháp khác được các nhà nghiên cứu từ Đại học Surrey, Anh, phát triển là tích hợp cảm biến thông minh để phát hiện những trục trặc nguy hiểm bên trong pin lithium-ion trước khi chúng dẫn tới cháy nổ. Khác với cảm biến hiện nay thường nằm bên ngoài pin và phản ứng quá chậm, cảm biến tiên tiến được cài trực tiếp bên trong để giám sát nhiệt độ, áp suất, và thay đổi hóa học trong thời gian thực, cung cấp cảnh báo sớm, thậm chí kích hoạt tính năng dập lửa tích hợp. Được thiết kế để có thể mở rộng quy mô, chi phí thấp và tương thích với quy trình sản xuất pin có sẵn, công nghệ này sẽ mở đường cho hệ thống xe điện, vận tải, hàng không và lưu trữ năng lượng an toàn và đáng tin cậy hơn.

Tiến sĩ Kai Yang, giảng viên vật liệu năng lượng và công nghệ nano tại Viện Công nghệ Tiên tiến của Đại học Surrey, cho biết cảm biến thông minh được tích hợp trực tiếp vào thành phần chính của pin như bộ thu dòng và tấm ngăn, cung cấp những chỉ số nhanh chóng, chính xác từ bên trong. Chúng không chỉ giám sát nhiệt mà còn phản ứng tích cực bằng cách sử dụng vật liệu chống cháy để làm chậm quá trình nóng lên quá mức.

"Việc bán ôtô xăng và diesel mới sẽ bị cấm ở Anh từ năm 2035, nhưng 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.

Đại học Surrey đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ mới và đang tích cực tìm cách hợp tác với đối tác học thuật và công nghiệp.