Pin lithium-ion trước bước ngoặt an toàn mới

Trong bối cảnh pin lithium-ion ngày càng phổ biến nhưng tiềm ẩn rủi ro cháy nổ, một thiết kế vật liệu mới từ Đại học Trung văn Hong Kong mở ra hướng tiếp cận thực tế hơn cho an toàn pin.

Pin lithium-ion và bài toán an toàn ngày càng cấp bách

Pin lithium-ion đã trở thành nền tảng năng lượng cho thế giới hiện đại, hiện diện trong hầu hết thiết bị điện tử tiêu dùng, từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay cho tới xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Với mật độ năng lượng cao và khả năng sạc lại nhiều lần, loại pin này đóng vai trò then chốt trong quá trình điện hóa và chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Tuy nhiên, song hành với sự phổ biến là những lo ngại ngày càng lớn về an toàn. Pin lithium-ion chứa chất điện phân dễ cháy và có thể trở nên mất ổn định trong các tình huống như sạc quá mức, quá nhiệt, bị đâm thủng hoặc gặp lỗi sản xuất. Khi xảy ra sự cố, hiện tượng “thoát nhiệt” có thể kích hoạt phản ứng dây chuyền, khiến pin bốc cháy hoặc phát nổ trong thời gian rất ngắn.

Rủi ro này đặc biệt nghiêm trọng trong những môi trường khép kín như máy bay. Các cơ quan hàng không quốc tế đã liên tục siết chặt quy định đối với thiết bị dùng pin lithium-ion, trong đó có việc hạn chế hoặc cấm mang sạc dự phòng trên một số chuyến bay. Thực tế cho thấy chỉ một sự cố nhỏ cũng có thể gây hậu quả lớn, đe dọa an toàn của hành khách và phi hành đoàn.

Trong bối cảnh đó, nhu cầu về một giải pháp pin an toàn hơn, nhưng vẫn giữ được hiệu suất và khả năng ứng dụng rộng rãi, đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

Thay đổi nhỏ trong chất điện phân, tác động lớn tới độ an toàn

Trong nhiều năm qua, các nỗ lực nâng cao độ an toàn pin lithium-ion thường tập trung vào việc thay thế hoàn toàn chất điện phân lỏng bằng gel hoặc chất rắn chống cháy. Tuy nhiên, những giải pháp này đòi hỏi thay đổi sâu trong thiết kế pin và dây chuyền sản xuất, khiến chi phí tăng cao và khó triển khai trên quy mô thương mại.

Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu tại Đại học Trung văn Hong Kong đi theo một hướng khác. Thay vì tái cấu trúc toàn bộ pin, họ tập trung vào việc điều chỉnh thành phần hóa học của dung dịch điện phân – một bộ phận có thể thay thế mà không cần thay đổi lớn về thiết bị hay quy trình sản xuất hiện có.

Theo nhóm nghiên cứu, pin lithium-ion thường phát hỏa khi một phần chất điện phân bị phân hủy dưới áp lực hoặc nhiệt độ cao, giải phóng năng lượng theo phản ứng dây chuyền. Thiết kế mới sử dụng chất điện phân gồm hai dung môi, được tối ưu để phản ứng khác nhau tùy theo mức nhiệt.

Ở điều kiện nhiệt độ phòng, dung môi thứ nhất giữ cấu trúc hóa học của pin ổn định, đảm bảo hiệu suất và mật độ năng lượng. Khi nhiệt độ tăng bất thường, dung môi thứ hai sẽ chiếm ưu thế, làm giãn cấu trúc hóa học và làm chậm các phản ứng có nguy cơ dẫn tới hiện tượng thoát nhiệt, từ đó ngăn chặn cháy nổ.

Kết quả thử nghiệm và khả năng ứng dụng thực tế

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hiệu quả rõ rệt của thiết kế mới. Khi bị đâm thủng – một kịch bản mô phỏng tai nạn nghiêm trọng – pin lithium-ion thông thường có thể tăng nhiệt độ lên tới hơn 500 độ C. Trong khi đó, pin sử dụng chất điện phân mới chỉ tăng khoảng 3,5 độ C, không xảy ra cháy hay bốc khói.

Đáng chú ý, việc tăng độ an toàn không đi kèm đánh đổi về hiệu suất. Theo nhóm nghiên cứu, pin vẫn duy trì hơn 80% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc, tương đương với các loại pin thương mại hiện nay. Điều này cho thấy thiết kế mới không làm suy giảm tuổi thọ hay khả năng lưu trữ năng lượng.

Một lợi thế lớn khác là tính tương thích với hệ thống sản xuất hiện có. Do chất điện phân vẫn ở dạng lỏng, nhà sản xuất chỉ cần thay thế dung môi mà không phải đầu tư thêm dây chuyền hay công nghệ mới. Điều này giúp rút ngắn đáng kể khoảng cách từ phòng thí nghiệm tới thị trường.

Hiện nhóm nghiên cứu đã chế tạo pin đủ lớn để cấp điện cho các thiết bị điện tử cỡ vừa như máy tính bảng hoặc laptop. Tuy nhiên, họ cho rằng cần thêm thời gian để đánh giá khả năng mở rộng lên các ứng dụng yêu cầu dung lượng lớn hơn, chẳng hạn pin cho xe điện.

Triển vọng thương mại hóa và ý nghĩa dài hạn

Về chi phí, công thức hóa học mới có thể khiến giá thành pin tăng nhẹ trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, khi sản xuất ở quy mô lớn, chi phí được kỳ vọng sẽ tiệm cận mức hiện tại. Nhóm nghiên cứu đang làm việc với các nhà sản xuất pin để thúc đẩy quá trình thương mại hóa, với mốc thời gian dự kiến trong vòng 3–5 năm tới.

Giới chuyên gia quốc tế đánh giá cao tính thực tiễn của nghiên cứu này. Nhiều ý kiến cho rằng đây là một trong những hướng tiếp cận hiếm hoi có khả năng dung hòa được hai mục tiêu vốn thường mâu thuẫn: hiệu suất cao và độ an toàn. Việc không đòi hỏi thay đổi căn bản về thiết kế pin giúp giải pháp trở nên hấp dẫn hơn đối với các nhà sản xuất.

Nếu được triển khai rộng rãi, thiết kế pin mới có thể góp phần giảm thiểu rủi ro cháy nổ trong nhiều lĩnh vực, từ thiết bị điện tử cá nhân đến giao thông và hàng không. Quan trọng hơn, nó giúp củng cố niềm tin của người tiêu dùng vào công nghệ pin lithium-ion trong bối cảnh thế giới ngày càng phụ thuộc vào năng lượng điện.

Về dài hạn, nghiên cứu này cho thấy bài toán an toàn pin không nhất thiết phải giải quyết bằng những thay đổi mang tính cách mạng, mà đôi khi có thể bắt đầu từ những điều chỉnh vật liệu tinh tế nhưng hiệu quả. Đây có thể là bước đệm quan trọng cho thế hệ pin an toàn hơn trong tương lai gần.

Thùy Linh

Các tin tức liên quan đến Công nghệ