Bảy điều bạn cần biết về độ an toàn của pin lithium-ion
của Neil Martin, Đại học New South Wales
Pin ithium-ion được sử dụng rộng rãi vì chúng có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một diện tích tương đối nhỏ. Tuy nhiên, chúng cũng dễ gây ra các vụ hỏa hoạn thảm khốc. Ảnh: Shutterstock
Pin lithium-ion là giải pháp lưu trữ năng lượng di động phổ biến nhất—nhưng ngày càng có nhiều lo ngại về sự an toàn của chúng.
Dữ liệu được đối chiếu từ các sở cứu hỏa của tiểu bang cho thấy hơn 450 vụ cháy trên khắp nước Úc có liên quan đến pin lithium-ion trong 18 tháng qua—và Ủy ban Cạnh tranh và Người tiêu dùng Úc (ACCC) gần đây đã đưa ra một báo cáo vấn đề kêu gọi đóng góp ý kiến về cách cải thiện an toàn pin.
Pin lithium-ion được sử dụng trong nhiều loại phần cứng, từ xe điện và xe máy điện cho đến điện thoại di động và máy tính xách tay. Các hệ thống pin năng lượng mặt trời dân dụng cũng sử dụng công nghệ này, cho đến các hệ thống lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện.
Thật không may, như ngay cả Fire and Rescue NSW cũng thừa nhận, chúng ta vẫn chưa biết đầy đủ về khả năng pin lithium-ion hỏng hóc, cơ chế hỏng hóc của chúng và hậu quả tiềm ẩn của sự cố.
Chúng tôi đã nói chuyện với chuyên gia của UNSW, Tiến sĩ Matthew Priestley từ Nhóm Nghiên cứu Hệ thống Năng lượng tại Trường Kỹ thuật Điện và Viễn thông, để khám phá những mối lo ngại về an toàn liên quan đến pin lithium-ion.
Tiến sĩ Priestley nói: “Điều chúng tôi lo lắng vào lúc này là thực tế có rất ít quy định liên quan đến pin lithium-ion và khía cạnh an toàn liên quan đến điều đó.
"Chúng tôi muốn và cần công nghệ lưu trữ năng lượng này an toàn vì chúng rất quan trọng trong việc sử dụng năng lượng tái tạo và điều quan trọng là công chúng và ngành công nghiệp không coi nó là nguy hiểm.
"Nhưng hiện tại, hầu hết mọi người không có hiểu biết đầy đủ về những rủi ro liên quan đến các loại pin này hoặc không đủ tôn trọng chúng. Điều đó đúng với người tiêu dùng trong nhà của họ, nhưng có lẽ còn quan trọng hơn đối với các chuyên gia sử dụng pin lithium-ion trên một quy mô lớn hơn tại nơi làm việc của họ.
"Tôi không nghĩ rằng có đủ giáo dục về việc sử dụng, lưu trữ và tái chế hoặc thải bỏ pin lithium-ion đúng cách và đó là chìa khóa để tiến lên phía trước."
Tiến sĩ Priestley là học giả hàng đầu trong một dự án sẽ phát triển một khóa học ngắn hạn nhằm giáo dục những người buôn bán, công chúng và các bên liên quan chính khác về những rủi ro liên quan đến hệ thống pin năng lượng cao.
Và tại đây, anh ấy giúp giải thích các vấn đề chính và các giải pháp tiềm năng liên quan đến sự an toàn của pin lithium-ion.
Những thiết bị nào đang được cung cấp năng lượng bởi pin lithium-ion?
Pin lithium-ion cực kỳ phổ biến trong hầu hết các gia đình ở Úc. Điện thoại di động, máy tính xách tay và thiết bị đeo thông minh đều được cung cấp năng lượng bằng pin lithium-ion, cũng như các sản phẩm di động điện tử mới hơn như xe đạp điện và xe tay ga điện tử.
Dụng cụ điện cũng có thể chạy bằng pin lithium-ion và chúng phổ biến trong các ngành thương mại khác nhau, cũng như thiết bị cắm trại và làm vườn.
Xe điện, chẳng hạn như Teslas, sử dụng pin lithium-ion — hệ thống Powerwall của cùng công ty đó lưu trữ năng lượng thu được từ các tấm pin mặt trời trên mái nhà hoặc lưới điện.
Ở quy mô lớn hơn nhiều, pin lithium-ion lớn nhất ở Úc đã được kích hoạt vào năm 2021 tại Trạm đầu cuối Moorabool ngay bên ngoài Geelong. Được biết đến với cái tên Pin lớn của Victoria, pin 300 megawatt có thể lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho hơn một triệu ngôi nhà trong 30 phút.
Các vấn đề với pin lithium-ion là gì?
Tất cả các loại pin đều có thể nguy hiểm và có thể gây rủi ro về an toàn. Sự khác biệt với pin lithium-ion hiện có trên thị trường là chúng thường chứa dung dịch điện phân lỏng với muối lithium được hòa tan trong dung môi, như ethylene cacbonat, để tạo ra các ion lithium.
Chính sự hiện diện của các ion lithium này mang lại hiệu suất vượt trội cho pin, cho phép pin lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một diện tích tương đối nhỏ, đó là lý do tại sao những loại pin này rất hữu ích và phổ biến.
Tuy nhiên, chất điện phân lỏng chứa các ion lithium này rất dễ bay hơi và dễ cháy, gây nguy cơ cháy hoặc nổ nghiêm trọng, đặc biệt khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Ngoài ra, cách pin lithium-ion tạo ra năng lượng cũng tạo ra nhiệt như một sản phẩm phụ.
Trong trường hợp pin bị hỏng không kiểm soát được, tất cả năng lượng và nhiệt đó làm tăng rủi ro nguy hiểm về mặt gây ra hỏa hoạn tiềm ẩn. Nhiệt từ sự cố của pin lithium-ion có thể lên tới 400 độ C chỉ trong vài giây, với nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa cao hơn mức này.
Thật không may, các vụ cháy pin lithium-ion cũng không dễ dàng được ngăn chặn và tự duy trì, đó là lý do tại sao chúng được coi là dễ bay hơi hơn các loại pin khác.
Điều gì khiến pin lithium-ion bị hỏng?
Quá nóng là một trong những nguyên nhân chính gây ra lỗi pin lithium-ion, mặc dù thiệt hại vật lý cho dơi
cũng có thể dẫn đến các vấn đề.
Nhiệt độ quá cao—ví dụ như do sử dụng bộ sạc bị lỗi và sạc pin quá mức hoặc do đoản mạch—có thể làm hỏng tế bào pin bên trong và khiến pin bị hỏng.
Vấn đề chính khiến pin lithium-ion quá nóng là một hiện tượng được gọi là hiện tượng thoát nhiệt.
Trong quá trình này, nhiệt độ quá cao thúc đẩy phản ứng hóa học làm cho pin hoạt động, do đó càng tạo ra nhiều nhiệt hơn và ngày càng nhiều phản ứng hóa học theo một vòng xoáy tai hại.
Thiệt hại vật lý đối với các tế bào pin lithium-ion có thể khiến chất điện phân bên trong rò rỉ, đây là một rủi ro nguy hiểm tiềm ẩn khác.
Tại sao lỗi pin lithium-ion rất nguy hiểm?
Hiện tượng chạy trốn nhiệt có nghĩa là các vụ cháy pin lithium-ion cực kỳ khó dập tắt.
Bình chữa cháy gốc nước sẽ làm mát pin để giúp ngăn chặn sự lan rộng của đám cháy nhưng sẽ không dập tắt đám cháy trên pin cho đến khi năng lượng của nó bị tiêu tan.
Bình chữa cháy gel lithium-ion đặc biệt có tồn tại nhưng chưa được phổ biến rộng rãi cho tất cả các ứng dụng pin lithium-ion. Và ngay cả khi đám cháy pin lithium-ion dường như đã được dập tắt, nó vẫn có thể bùng phát trở lại hàng giờ—hoặc đôi khi thậm chí vài ngày—sau đó.
Pin lithium-ion cũng có thể giải phóng khí độc hại cao khi chúng bị hỏng và nhiệt độ quá cao cũng có thể khiến chúng phát nổ.
Làm thế nào mọi người có thể giảm thiểu các vấn đề với pin lithium-ion?
Việc sử dụng và bảo quản pin lithium-ion đúng cách là vô cùng quan trọng.
Không nên để pin tiếp xúc với nhiệt độ cao bên ngoài, chẳng hạn như để dưới ánh nắng trực tiếp trong thời gian dài.
Sạc quá mức là một vấn đề cơ bản khác vì điều này có thể tạo ra nhiệt quá mức bên trong pin.
Do đó, điều quan trọng là luôn sử dụng bộ sạc có thương hiệu uy tín, thay vì phiên bản chung giá rẻ có thể có trên mạng.
Bộ sạc chất lượng tốt, được thiết kế dành riêng cho loại pin bạn đang sử dụng, kiểm soát lượng điện tích đi vào tế bào và sẽ ngắt khi đã sạc đầy để đảm bảo hệ thống không bị quá nóng.
Hãy hết sức cảnh giác nếu pin lithium-ion bị bất kỳ hư hỏng vật lý nào, chẳng hạn như bị vật thể rơi hoặc đâm xuyên, vì điều này có thể dẫn đến rò rỉ và các sự cố tiềm ẩn.
Trong môi trường công nghiệp, việc lưu trữ pin an toàn có thể rất quan trọng để trong trường hợp hỏng hóc không mong muốn, đám cháy có thể dễ dàng được ngăn chặn và kiểm soát hơn và không lan rộng—điều này có thể nhanh chóng gây ra hậu quả thảm khốc.
Không nên mua pin lithium-ion đã qua sử dụng hoặc trực tuyến từ các nhà cung cấp không rõ nguồn gốc và có khả năng không được kiểm soát.
Tại sao chúng ta không sử dụng các dạng pin khác?
Các loại pin sạc khác vẫn tồn tại và được sử dụng rộng rãi—chẳng hạn như niken-cadmium và thậm chí cả axit chì có từ thế kỷ 19.
Tuy nhiên, pin lithium-ion hữu ích hơn và do đó phổ biến hơn nhiều vì chúng kết hợp tính năng sạc nhanh, thời gian sạc lâu và mật độ năng lượng cao, giúp kéo dài thời lượng pin hơn trong một gói nhỏ hơn.
Có khả năng nghiên cứu trong tương lai sẽ tạo ra một loại pin khác có cùng đặc tính và ít nguy hiểm hơn so với công nghệ lithium-ion hiện có—chẳng hạn như pin điện phân thể rắn hiện đang rất đắt đỏ để sản xuất.
Cần làm gì để pin lithium-ion an toàn hơn?
Bộ pin lithium-ion có hệ thống quản lý pin (BMS) được thiết kế để bảo vệ các tế bào pin và ngăn ngừa sự cố xảy ra.
BMS theo dõi dữ liệu bao gồm nhiệt độ, điện áp di động, dòng điện di động và mức sạc pin để giúp đảm bảo rằng từng bộ phận của pin hoạt động chính xác và an toàn. Các thiết bị làm mát cũng có thể được liên kết với BMS để giảm nhiệt độ của bộ pin nếu trời quá nóng.
Tuy nhiên, điều quan trọng là bất kỳ hệ thống quản lý pin nào cũng được giám sát để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, vì sự cố của BMS có thể gián tiếp dẫn đến sự cố của chính pin lithium-ion. Ngoài ra, nhiều ứng dụng lithium-ion nhỏ hơn không có BMS vì làm như vậy không hiệu quả về mặt chi phí.
Giáo dục và đào tạo bổ sung, đặc biệt là cho những người làm nghề, cũng có thể giúp nâng cao kiến thức và hiểu biết về sự nguy hiểm của pin lithium-ion, đồng thời giúp giảm thiểu rủi ro và loại bỏ nguy hiểm nhiều nhất có thể.
Nghiên cứu và phát triển bổ sung cũng sẽ giải quyết một số câu hỏi cơ bản liên quan đến an toàn của pin lithium-ion, mặc dù điều này có thể tốn kém và mất thời gian.
