Công nghệ điện phân mới từ CUHK giải quyết các vấn đề an toàn của pin lithium-ion

Từ pin sạc trong các thiết bị điện tử di động đến nguồn năng lượng cho xe đạp điện và xe hơi năng lượng mới, các tai nạn an toàn do cháy nổ pin lithium-ion ngày càng trở thành tâm điểm chú ý toàn cầu. Theo một báo cáo của CNN vào ngày 22, một công nghệ mới được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu từ Đại học Trung Quốc Hồng Kông (CUHK) có thể giảm đáng kể nguy cơ nổ và cháy pin lithium-ion, và công nghệ này dự kiến sẽ được áp dụng thương mại trong vòng 3 đến 5 năm tới.

Báo cáo chỉ ra rằng pin lithium-ion đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị từ điện thoại thông minh đến xe năng lượng mới. Các nhà nghiên cứu cho biết pin lithium-ion có độ an toàn tốt trong các tình huống sử dụng bình thường, nhưng việc sử dụng không đúng cách có thể dẫn đến nguy cơ cháy nổ và thậm chí là hậu quả chết người trong những trường hợp cực đoan. Nguyên nhân là do chất điện phân bên trong pin lithium-ion dễ cháy. Khi bị chọc thủng vật lý, sạc quá mức, điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cực đoan, hoặc các khuyết tật trong quy trình sản xuất, pin sẽ dần mất ổn định. Khi xảy ra bất thường, nhiệt độ pin sẽ tăng nhanh chóng và làm cháy chất điện phân, từ đó kích hoạt một phản ứng dây chuyền nguy hiểm được gọi là "chạy nhiệt". Dữ liệu thống kê liên quan cho thấy chỉ riêng trong năm 2024, đã ghi nhận 89 sự cố khói, cháy hoặc bất thường nhiệt độ cao liên quan đến pin trong lĩnh vực vận tải hàng không dân dụng toàn cầu; trong đời sống hàng ngày, các vụ cháy pin của xe đạp điện, xe scooter điện và các thiết bị khác cũng không phải là hiếm.

Để giải quyết điểm đau an toàn này, cộng đồng nghiên cứu khoa học toàn cầu đã tích cực thực hiện nghiên cứu công nghệ, chẳng hạn như phát triển các điện phân rắn hoặc gel chịu nhiệt độ cao để thay thế các điện phân lỏng truyền thống. Tuy nhiên, những giải pháp như vậy yêu cầu sửa đổi quy mô lớn đối với các dây chuyền sản xuất pin hiện có, điều này làm tăng đáng kể ngưỡng công nghiệp hóa và hạn chế tốc độ phổ biến của công nghệ. Ngược lại, phương án tối ưu hóa pin lithium-ion mới được nhóm CUHK đề xuất chỉ cần thay thế các thành phần hóa học trong điện phân hiện có mà không làm thay đổi các liên kết cốt lõi của quy trình sản xuất.

Các nhà nghiên cứu từ nhóm đã giải thích rằng nguyên nhân chính gây ra cháy pin lithium-ion là sự phân hủy của chất điện phân dưới áp suất cao, điều này giải phóng một lượng lớn nhiệt và kích hoạt một phản ứng dây chuyền. Chất điện phân mới được phát triển áp dụng hệ thống dung môi nhị phân, có thể chính xác chặn quá trình phản ứng nguy hiểm này. Dưới điều kiện nhiệt độ bình thường, dung môi đầu tiên có thể duy trì độ chặt chẽ của cấu trúc hóa học bên trong của pin, đảm bảo hiệu suất hoạt động bình thường của pin; khi nhiệt độ pin tăng lên bất thường, dung môi thứ hai sẽ nhanh chóng kích hoạt cơ chế bảo vệ, ngăn chặn các rủi ro cháy từ nguồn gốc bằng cách làm lỏng cấu trúc hóa học và làm chậm các phản ứng liên quan đến hiện tượng quá nhiệt.

CNN đã trích dẫn dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sau khi pin lithium-ion áp dụng công nghệ mới này bị đâm thủng bởi một chiếc đinh, nhiệt độ chỉ tăng 3,5 độ C; ngược lại, nhiệt độ của các pin lithium-ion truyền thống đã tăng vọt lên 555 độ C trong cùng điều kiện thử nghiệm. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng sơ đồ kỹ thuật này sẽ không có tác động tiêu cực đến hiệu suất cốt lõi và tuổi thọ của pin. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng sau 1000 chu kỳ sạc-xả, dung lượng pin vẫn có thể duy trì hơn 80% giá trị ban đầu, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng thương mại.

Đáng chú ý là công nghệ này chỉ liên quan đến việc thay thế các thành phần điện phân mà không cần phải sửa đổi các dây chuyền sản xuất hiện có, do đó nó có các điều kiện cơ bản cho việc công nghiệp hóa nhanh chóng. Dự kiến, sau khi sản xuất quy mô lớn, chi phí của pin lithium-ion áp dụng công nghệ này sẽ cơ bản giống như chi phí của các sản phẩm chính thống hiện tại. Hiện tại, công nghệ liên quan đã bước vào giai đoạn tiến triển thương mại hóa. Donald Finnegan, một nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ, đã nhận xét: "Đột phá công nghệ này thật sự thú vị, có nghĩa là các pin lithium-ion trong tương lai sẽ có khả năng chịu đựng các điều kiện làm việc khắc nghiệt như nhiệt độ cao và ngắn mạch, về cơ bản tránh được các rủi ro cháy nổ."