Nhóm nghiên cứu tại Đại học Clemson, Hoa Kỳ và Đại học Hồ Nam, Trung Quốc đã đưa ra một thiết kế mới cho loại pin sạc tự dập lửa, có thể ngăn ngừa cháy nổ do hiện tượng quá nhiệt. Theo đó, các nhà khoa học đã thay thế chất điện phân rất dễ cháy cho phép điện tích di chuyển giữa các cực của pin, bằng các vật liệu có trong bình chữa cháy thương mại. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Sustainability.

Chất điện phân thông thường chứa muối lithium và dung môi hữu cơ nên dễ cháy và dễ bị thoát nhiệt - một phản ứng dây chuyền sinh nhiệt và phân hủy hóa học có thể dẫn đến cháy nổ. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã biến đổi chất làm mát thương mại có giá cả phải chăng, vốn được sử dụng để dập lửa, thành chất điện phân cho pin. Chất điện phân mới không bắt lửa, chịu nhiệt và tương thích với bất kỳ hóa chất nào trong pin.

Kiểm tra độ an toàn

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm pin tại phòng thí nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau. Chất điện phân của pin hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -75oC đến 80oC. Hơn nữa, pin truyền nhiệt ra khỏi pin, dập tắt hiệu quả các đám cháy bên trong.

Kỹ thuật đóng đinh bằng thép không gỉ xuyên qua pin đã sạc, mô phỏng hiện tượng đoản mạch bên trong, có thể gây cháy hoặc nổ. Đây là phương pháp phổ biến để đánh giá độ an toàn của pin lithium-ion. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm này và kết quả cho thấy pin đã sạc chịu được lực tác động mà không bắt lửa khi bị đóng đinh xuyên qua.

Ưu điểm và thách thức

Nhờ thiết kế mới, pin lithium-ion trở nên an toàn hơn nhưng cần có thời gian để cải tiến lâu dài nhằm giảm rủi ro vốn có do tình trạng quá nhiệt và thoát nhiệt. Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử và xe điện nhưng có một số hạn chế về độ an toàn. Ví dụ, nhiệt độ pin thay đổi khi pin sạc và xả sạc. Ngoài ra, độ an toàn và độ bền của pin có thể bị ảnh hưởng nhiều do nhiệt độ ngoài trời cao hoặc nhiệt độ phân bố không đồng đều trong pin.

Một trong những vấn đề về an toàn đặt ra đối với pin lithium-ion là sạc pin quá nhanh có thể dẫn đến hình thành các sợi dẫn điện mỏng (dentrite - những mũi kim lithium sắc nhọn) trên cực dương của pin. Kim lithium xuyên qua bộ phân tách và chạm tới điện cực đối diện, khiến pin bị đoản mạch và quá nhiệt ở bên trong.

Vì thế, nhóm nghiên cứu đã tạo ra chất điện phân không cháy, dễ dàng truyền nhiệt ra khỏi pin, hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng, rất bền và tương thích với mọi hóa chất trong pin. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng phải đối mặt với một số thách thức. Ví dụ, hầu hết các dung môi hữu cơ không cháy đều chứa flo và phốt pho đắt tiền gây hại cho môi trường. Do vậy, các nhà khoa học sẽ tiếp tục khám phá những giải pháp thay thế bền vững và tiết kiệm chi phí cho chất điện phân mới.

Nguồn: NASATI