Pin lithium an toàn chống xuyên đinh và cháy nổ

[Alan Hope]

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Trung Hoa Hồng Kông vừa trình bày thiết kế pin lithium-ion mới giúp ngăn ngừa cháy nổ ngay cả khi bị xuyên đinh. Thiết kế này giảm tới mức gần như không đáng kể sự tăng nhiệt so với pin thông thường bị thủng.

Tổng quan vấn đề​

Truyền thống, pin lithium-ion — dùng cho ô tô, điện thoại và đồng hồ thông minh — có nguy cơ gây cháy cao khi bị hư hỏng, sạc quá mức hoặc gặp lỗi. Khi xảy ra "chạy nhiệt" (thermal runaway), các thành phần bên trong phân hủy và giải phóng nhiệt lượng lớn, có thể làm nhiệt độ tăng hơn 500 °C dẫn đến cháy và nổ.

Giải pháp mới và kết quả thử nghiệm​

Nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc, chủ yếu từ Đại học Trung Hoa Hồng Kông, công bố trong tạp chí Nature một thiết kế pin mới giảm đáng kể rủi ro này. Trong thử nghiệm xuyên đinh, pin thiết kế mới chỉ tăng nhiệt khoảng 3,5 °C và giữ ổn định, trong khi pin dùng điện giải thông thường đã tăng lên 555,2 °C kèm theo nổ và cháy.

Cơ chế khoa học​

Nhóm phát hiện ra thủ phạm là sự kết hợp ion (ion association) trong điện giải. Ở pin thông thường, cách các ion lithium và anion liên kết thuận lợi cho việc hình thành lớp bảo vệ gọi là SEI (solid electrolyte interphase), cần thiết cho tuổi thọ chu kỳ dài. Tuy nhiên, sự kết hợp ion này lại làm hạ nhiệt độ bắt đầu xảy ra chạy nhiệt khoảng 94 °C, khiến pin kém an toàn hơn.

Để giải quyết mâu thuẫn giữa an toàn và tuổi thọ, đội ngũ đã phát triển chiến lược gọi là "solvent-relay". Họ thiết kế một điện giải hoạt động khác nhau theo nhiệt độ: ở điều kiện nhiệt độ phòng, điện giải khuyến khích sự kết hợp ion để tạo SEI tốt; nhưng khi nhiệt độ tăng (như khi bị hư hại), một dung môi đặc biệt là lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) sẽ tham gia liên kết với lithium, thúc đẩy sự phân ly ion. Hành động này ngăn chặn các liên kết anion nguy hiểm vốn dẫn đến giải phóng nhiệt.

Độ bền và ý nghĩa​

Ngoài cải thiện an toàn, các tế bào pin với chiến lược mới vẫn duy trì tuổi thọ ấn tượng, giữ khoảng 81,9% dung lượng sau 1.000 chu kỳ. Phát hiện này mở ra triển vọng cho pin an toàn hơn trong thiết bị tiêu dùng và phương tiện điện, dù còn cần thêm nghiên cứu và phát triển để thương mại hóa quy mô lớn.

Nguồn​

Công trình được công bố trên Nature, tổng hợp và nêu kết quả thử nghiệm do nhóm nghiên cứu tại Đại học Trung Hoa Hồng Kông thực hiện.

Nguồn: Notebookcheck