Vấn đề cháy nổ của Pin Lithium – ion và giải pháp phòng ngừa

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng Pin Lithium-ion đang bùng nổ do mật độ năng lượng cao, chi phí bảo trì thấp, sạc nhanh và lợi thế về tuổi thọ. Tuy nhiên, độ ổn định nhiệt của chúng tương đối kém. Trong trường hợp sự cố có thể gây cháy, nổ. Nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu nguy cơ về cháy nổ trước tình hình pin Lithium-ion đang được ứng dụng rộng rãi đang trở nên cấp bách.

 

Trong bối cảnh nhiều quốc gia đang chạy đua phát triển xe điện và năng lượng tái tạo nhằm hướng tới mục tiêu phát triển nền kinh tế xanh, cân bằng và bền vững hơn, nhu cầu về lithium – nguyên liệu được mệnh danh là “dầu trắng”- cũng tăng vọt. Lithium là thành phần quan trọng nhất tạo nên các loại pin sạc. Nó không chỉ được tìm thấy bên trong các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, đồ gia dụng, mà xe hơi, máy bay hay các thiết bị tinh vi trên tàu vũ trụ cũng sử dụng loại pin này. Các tập đoàn hàng không lớn cũng chú ý đến việc phát triển những máy bay điện thay vì dùng nhiên liệu lỏng như hiện nay. Chính vì vậy, ngành công nghiệp pin lithium-ion đang ngày càng phát triển mạnh và được dự đoán có thể vượt mốc 92 tỷ USD vào năm 2024.

 

Máy bay X-57 Maxwell chạy hoàn toàn bằng điện do NASA phát triển. (Nguồn: NASA)

 

Ngay từ năm 2016, Diễn đàn Kinh tế thế giới đã công bố rằng, pin sản xuất từ lithium sẽ là cốt lõi cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư và chuyển đổi sang nền kinh tế xanh. Hiện nay, nhiều quốc gia xem loại pin này là một phần không thể thiếu trong thời đại công nghệ kỹ thuật số, đồng thời là “chìa khóa” mở ra tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch, góp phần giảm thiểu những tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.

 

Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới. Pin giờ đây còn quan trọng hơn cả dầu mỏ, trong tương lai, quốc gia nào làm chủ chuỗi cung ứng sản phầm này sẽ chiếm ưu thế trong nhiều lĩnh vực.

Pin lithium-ion sẽ sớm trở thành thứ “xăng” mới cho mọi chiếc xe trong tương lai. (Nguồn: The Guardian)

 

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, Pin Lithium-ion sẽ là chìa khóa để khắc phục nhược điểm của năng lượng mặt trời và điện gió là tính bất ổn do phụ thược vào thời tiết. Bằng khả năng lưu trữ dường như không giới hạn của nó sẽ giúp điện mặt trời và điện gió sẵn có bất kể ngày đêm.

 

Tại Việt Nam, giải pháp lưu trữ năng lượng kết hợp điện gió và điện mặt trời là chìa khóa để chúng ta dần thay thế cho nhiệt điện, từ đó giảm phát thải khí nhà kính.

 

Cơ chế làm việc của pin Lithium-ion

 

Kể từ khi tập đoàn Sony lần đầu tiên thương mại hóa pin Lithium-ion (Cacbon làm cực dương và LiCoO2 làm cực âm) vào năm 1991, hàng tỷ pin Lithium-ion đã được sản xuất cho thiết bị điện tử cầm tay và nhiều thiết bị điện lớn khác. Bốn thành phần chính của pin Lithium-ion là cực âm, chất điện phân, bộ phân tách và cực dương. Cực dương lưu trữ các ion Lithium trong quá trình sạc và các ion Lithium di chuyển đến cực âm trong quá trình phóng điện. Sơ đồ của cơ chế làm việc của pin Lithium-ion được thể hiện trong


Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin Lithium-ion. 

 

Nguy cơ cháy pin Lithium ion

Nếu được bảo quản và vận hành trong điều kiện khuyến cáo của nhà sản xuất, tỷ lệ lỗi của pin Lithium-ion được ước tính là 1 trên 40 triệu. Tuy nhiên, trong thực tế các yếu tố như sạc quá mức, ảnh hưởng của nguồn nhiệt từ bên ngoài hoặc các tác động cơ học… (sau đây gọi là các yếu tố tác động gây cháy nổ) làm tăng đáng kể xác suất lỗi này. Mặc dù nhiều giải pháp an toàn khác nhau đã được tích hợp vào các pin Lithium-ion thương mại, có rất nhiều sự cố cháy nổ liên quan đến pin Lithium-ion đã xảy ra.

– Ngày 11/4/2011, xảy ra vụ cháy taxi điện do đoản mạch tại Hàng Châu, Trung Quốc.

– Từ tháng 10 đến tháng 11 năm 2013, 06 xe ôtô điện Tesla Model S bốc cháy do va chạm và pin tự bốc cháy.

– Từ tháng 1 năm 2013 đến tháng 1 năm 2014, 03 vụ cháy Boeing 747, lần lượt xảy ra tại Boston Mỹ, Takamatsu, Tokyo Nhật Bản. Nguyên nhân các vụ cháy là đoản mạch bên trong của của pin Lithium-ion và sự cố của hệ thống quản lý pin.

– Ngày 2/7/2018 xảy ra vụ cháy kèm theo nổ tại hệ thống lưu trữ năng lượng 4MW/12MWh tại Hàn Quốc. Ban đầu 1 pin Lithium ion tự bốc cháy và lan ra tới hơn 3500 pin khác.

Vụ cháy xe điện Tesla S và trạm sạc ở Na Uy (Nguồn: https://www.autoevolution.com)

Cơ chế và đặc tính cháy của pin Lithium ion

Cơ chế chung của gây cháy trên pin Lithium ion là nhiệt lượng tỏa ra môi trường không cân bằng hoặc lớn hơn nhiệt sinh ra từ các phản ứng tỏa nhiệt. Nhiệt tích lũy này làm tăng nhiệt độ, do đó, tạo ra tốc độ phản ứng tăng theo cấp số nhân. Nếu tốc độ sinh nhiệt vượt quá tốc độ tỏa nhiệt ra môi trường thì nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng. Khi đạt đến nhiệt độ tới hạn, là nhiệt độ phá hủy thiết bị phân tách, pin sẽ bị phá vỡ.

Khi pin gặp sự cố, một số chất sẽ phân hủy hoặc phản ứng với nhau, cuối cùng dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt. Quá trình phản ứng điện hóa bên trong pin Lithium ion ở nhiệt độ cao rất phức tạp. Quá trình thoát nhiệt có thể được tóm tắt như hình 5. Khi nhiệt độ tăng, pin trải qua các biến đổi hóa học sau: phân hủy lớp điện phân rắn, phản ứng giữa vật liệu anốt và chất điện phân, phản ứng giữa vật liệu catốt và sự điện ly, sự phân hủy chất điện ly, và phản ứng giữa cực dương và chất kết dính. Có thể một số quá trình đó xảy ra song song.


 Cơ chế thoát nhiệt và đặc tính cháy của pin Lithium ion. 

 

Khi pin trong điều kiện có các yêu tố gây tác động cháy nổ, áp suất bên trong pin đạt đến một ngưỡng nhất định, vỏ của pin sẽ phồng lên và vỡ ra để giảm áp suất. Các chất điện phân kèm theo một lượng nhỏ các khí như CO và H2 bay ra hoặc chảy ra ngoài hình 6 cho thấy quá trình đốt cháy các sol khí bay hơi được phun ra từ pin bị kích thích cháy. Trong môi trường không khí xung quanh có thể cung cấp đủ oxy, cùng với chất điện phân, khí dễ cháy là nhiên liệu tạo nên hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Khi tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu này nằm trong giới hạn dễ cháy, tia lửa điện hoặc bề mặt nóng có thể đốt cháy hỗn hợp, do đó tạo ra ngọn lửa.

Hình vẽ sơ đồ cho thấy các sol khí, hơi chất điện phân và các sản phẩm phân hủy thoát ra từ một vết nứt của pin và cuốn theo không khí để đốt cháy như một ngọn lửa khuếch tán. 

 

Giải pháp an toàn phòng cháy chữa cháy

Các biện pháp an toàn để giảm hoặc ngăn chặn sự thoát nhiệt đối với tế bào pin có thể được thực hiện thông qua việc lựa chọn vật liệu hoặc cấu trúc, thiết kế và sử dụng các thiết bị an toàn. Việc lựa chọn vật liệu làm catốt là yếu tố quyết định đến độ bền nhiệt và sự phân phối năng lượng. Ví dụ, sự phân hủy bắt đầu ở khoảng 130°C đối với LCO, ở 240°C đối với NMC, ở 270°C đối với LMO và ở 310°C đối với catốt LFP. Vật liệu làm catốt có thể được sử dụng để cải thiện độ bền nhiệt bằng cách phủ các vật liệu như TiO2, LiNi0,5Co0,5 O2, Al2O3, MgO, LixCoO2; thay thế một số kim loại (ví dụ, niken và nhôm thay thế một phần coban) và pha tạp với các vật liệu như zirconium.

Hệ thống Quản lý Pin (BMS) là thiết bị an toàn chính ở cấp mô đun và bộ pin. BMS kiểm soát và ngăn ngừa sạc quá mức, xả quá mức và vận hành bộ pin để có hiệu suất ứng dụng tốt nhất và tuổi thọ cao, thường đạt được bằng cách cân bằng trạng thái sạc của mỗi tế bào pin. Hình 7 minh họa phản ứng của thiết bị an toàn khác nhau đối với các tác động gây cháy nổ khác nhau.

Phản ứng của thiết bị an toàn đối với các tác động gây cháy nổ.

 

Việc phát hiện sự cố cháy và giải pháp chữa cháy đối với đám cháy pin Lithium ion đã có những nghiên cứu được công bố. Trong bài viết Thermal hazard of lithium ion battery and security countermeasure được công bố trên tạp chí Science Press (Beijing, 2017) đã đưa ra những khuyến cáo đối với loại đám cháy này. Do đặc tính lan truyền cháy nhanh các đầu báo cháy khói là phù hợp hơn các đầu báo cháy nhiệt để phát hiện và xử lý kịp thời đám cháy pin Lithium ion.

Đám cháy pin Lithium ion không phải là đám cháy điển hình vì ít nhất một phần của nó bao gồm các phản ứng trực tiếp giữa các thành phần của pin. Các phản ứng này không cần oxy bên ngoài. Nước là chất chữa cháy rẻ nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống chữa cháy. Mặt khác, nước là một chất làm mát hoàn hảo vì nhiệt hóa hơi và khả năng tỏa nhiệt cao. Nó có thể không chỉ giúp ngăn chặn quá trình cháy mà còn có thể làm chậm hoặc ngừng sự lan truyền nhiệt.

Tuy nhiên, theo [2], cần ít nhất 6 phút phun nước liên tục để dập tắt hoàn toàn đám cháy một chiếc xe oto điện; và quá trình dập lửa kéo dài trong 20 phút trong các thí nghiệm chữa cháy phòng kho chứa 12 thùng chứa pin Lithium ion loại pin Lithium ion LiCoO2 loại (10 Ah×4). Đồng thời, muối trong chất điện phân, LiPF6, có thể phản ứng với nước để giải phóng một lượng lớn HF gây độc và có hại cho con người. Bên cạnh đó, lithium có thể khử nước để tạo thành hydro rất dễ cháy.

Giải pháp chữa cháy bằng bọt hoặc phun sương cũng đạt hiệu quả trong thí nghiệm được nghiên cứu tại [3]. So sánh hiệu quả chữa cháy của bột chữa cháy ABC, carbon dioxide, bọt chữa cháy AFFF và chữa cháy phun sương trên pin Lithium ion LiCoO2 loại (10 Ah×4). Bột ABC, carbon dioxide và chất tạo bọt AFFF 3% có thể dập tắt ngọn lửa bùng phát của gói pin Lithium ion, nhưng không thể tránh được việc bắt lửa lại. Khả năng làm lạnh của tác nhân càng cao thì sự bắt lửa lại xảy ra càng muộn (thời gian bắt lửa lại đối với CO2, bột ABC và chất tạo bọt AFFF 3% tương ứng là 10, 8 và 45 giây sau khi dập tắt ngọn lửa trần).

Tóm lại, nước vẫn là chất hiệu quả nhất để ngăn chặn đám cháy pin Lithium ion do tác dụng làm mát mạnh và bất chấp tác động của nó đối với tính toàn vẹn của mạch điện và các nhược điểm nêu trên. Halon, heptafluoropropane (HFC – 227ea hoặc FM200) và C6F-ketone có thể được sử dụng để dập tắt đám cháy pin Lithium ion một cách hiệu quả, nhưng không có tác dụng làm mát giúp giảm thiểu sự tái bùng phát hoặc lan truyền nhiệt.

Nghiên cứu về phương pháp chữa cháy đối với đám cháy pin Lithium ion vẫn cần phải có nghiên cứu sâu hơn. Đòi hỏi về việc phát hiện nhanh hơn và chính xác hơn các chất chữa thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn đối với đám cháy pin Lithium ion. Các hệ thống chữa cháy tự động trong tương lai phải có khả năng dập tắt đám cháy khối pin lớn và có thể làm nguội khối pin nhanh chóng, giảm thiểu hư hỏng tối đa đối với pin ở khu vực khác.

Với đà phát triển hiện nay, pin Lithium ion sẽ tăng lên dung lượng và kích thước để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và liên tục mở rộng phạm vi ứng dụng. Thế hệ mới của pin Lithium ion đang được phát triển bao gồm pin giàu Li, pin giàu Ni, pin cực dương silicon và pin Li-oxy. Thiết kế các hệ thống quản lý pin toàn diện và đáng tin cậy hơn sẽ là một thách thức quan trọng trong tương lai. Các hệ thống chữa cháy tự động cho đám cháy pin Lithium ion phải được phát triển để đảm bảo mức độ an toàn cao cho các công nghệ dựa trên pin Lithium ion hiện tại và tương lai.

 

Theo Cục Cảnh sát PCCC&CNCH

Hiệu quả từ việc triển khai ứng dụng Help 114 phục vụ chỉ huy chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ
THÔNG TIN LUẬN VĂN: Giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của lực lượng Phòng cháy và chữa cháy cơ sở đối với các doanh nghiệp có 100% vốn đầu tư nước ngoài tại các Khu công nghiệp trên địa bàn huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai
Phòng Quản lý học viên Trường Đại học PCCC Cơ sở 3 tổ chức thảo luận chuyên đề sáng kiến năm 2013 – 2014.