- Giới thiệu về pin Lithium – ion
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 sử dụng 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 hiện nay ô tô, xe máy, xe đạp có động cơ điện cũng sử dụng loại pin này.
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 thuộc 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 nhà kính.
- Cơ chế làm việc của pin Lithium-ion
Pin Lithium – ion có bốn thành phần chính 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 hình 1
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 máy bay 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.
– Ngày 19/7/2023, tại huyện Hoài Đức cũ, Thành phố Hà Nội, cháy xảy ra tại nhà ở kết hợp kinh doanh xe đạp, xe máy điện đã làm 3 người tử vong. Nguyên nhân xác định ban đầu là do cháy pin ở xe máy điện.
- 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 3. 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.
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 4 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.
- Những lưu ý khi sử dụng các thiết bị có dùng pin Lithium – ion để làm nguồn năng lượng.
* Sạc pin đúng cách
– Không sạc quá lâu: Khi pin đã đầy (100%), nên rút sạc để tránh quá nhiệt và chai pin.
– Tránh sạc qua đêm thường xuyên.
– Dùng bộ sạc chính hãng, đúng điện áp và dòng sạc của thiết bị.
– Không để pin cạn kiệt hoàn toàn (0%) mới sạc, vì dễ gây giảm tuổi thọ.
– Tốt nhất là sạc khi pin còn khoảng 20–30% và ngắt khi đạt 80–90%.
* Bảo quản pin Lithium – ion
– Tránh nhiệt độ cao: Không để pin hoặc thiết bị trong môi trường > 45°C (như trong ô tô, dưới ánh nắng trực tiếp).
– Không để nơi quá lạnh (dưới 0°C), vì làm giảm khả năng phản ứng hóa học bên trong.
– Nếu không sử dụng lâu dài, nên sạc ở mức 40–60% và cất nơi khô, mát.
* Sử dụng pin an toàn
– Không đâm, va đập, hoặc làm rơi pin.
– Không tháo rời hoặc tự sửa chữa pin.
– Nếu pin phồng, rò rỉ, bốc mùi hoặc quá nóng, ngừng sử dụng ngay và mang đến nơi xử lý an toàn.
– Không vứt pin vào lửa hoặc nước.
– Tránh sử dụng thiết bị khi đang sạc (đặc biệt là khi chơi game, gọi video…) vì dễ sinh nhiệt.
– Hạn chế vừa sạc vừa dùng với pin dung lượng lớn.
– Kiểm tra thường xuyên tình trạng pin (nhiệt độ, độ phồng, dung lượng giảm bất thường).
* Thay pin khi cần thiết
– Sau khoảng 500–1000 chu kỳ sạc, dung lượng pin sẽ giảm rõ rệt. (đối với pin của các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính,…)
– Khi pin yếu, sạc lâu đầy hoặc mau hết, nên thay pin mới chính hãng.
- Giải pháp chữa cháy đối với pin Lithium – ion
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 catot 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 catot LFP. Vật liệu làm catot 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.
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 và 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, 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. 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).
Hiện nay tại các công ty ở Việt Nam đã triển khai thử nghiệm và đưa ra thị trường sản phẩm bình chữa cháy (có chất chữa cháy bằng gốc nước công nghệ bọc phân tử). Qua thử nghiệm của nhà sản xuất cho thấy dung dịch gốc nước có khả năng chữa cháy đối với đám cháy do pin Lithium – ion gây ra nhanh, và hiệu quả, sau khi đám cháy được dập tắt, các viên pin không có hiện tượng nổ, nhiệt độ được giảm sâu xuống dưới 60 độ C.
- Dấu hiệu nhận biết và cách xử lý khi xảy ra sự cố cháy về pin Lithium – ion
* Dấu hiệu nhận biết:
– Pin phồng rộp, rò rỉ chất lỏng hoặc bốc khói, có mùi khét.
– Pin hoặc thiết bị nóng bất thường, thậm chí chưa cắm sạc.
– Có tiếng xì hơi, nổ nhỏ, hoặc phát sáng từ pin.
* Cách xử lý tình huống khi xảy ra sự cố cháy, nổ pin Lithium – ion
Bước 1: Đứng cách xa ít nhất 3–5 mét, không cố gắng nhặt hay di chuyển pin khi đang cháy, cảnh báo cho mọi người xung quanh, cắt nguồn điện khu vực nếu có thể.
Bước 2: Sử dụng các phương tiện chữa cháy ban đầu
– Sử dụng các chất chữa cháy có tác dụng chữa cháy bằng phương pháp cách ly như cát, bình chữa cháy gốc nước bọc phân tử,…
– Lưu ý: Tuyệt đối KHÔNG dùng bình CO₂, bột khô ABC hoặc nước thông thường để xịt trực tiếp lên pin đang cháy mạnh, vì có thể xảy ra chuỗi phản ứng thứ cấp làm đám cháy có thể lớn hơn và có thể gây ra nổ. Khi sử dụng cát để chữa cháy thì cố gắng để pin tiếp xúc trực tiếp với mặt đất để cát có thể bao phủ toàn bộ thiết bị xảy ra cháy, ngăn không cho oxy tiếp xúc với đám cháy.
Bước 3: Nếu đám cháy quá lớn, không thể xử lý thì gọi ngay cho lực lượng Cảnh sát PCCC&CNCH – Công an tỉnh Sơn La qua đầu số 114.
Qua bài viết trên, Phòng Cảnh sát PCCC&CNCH – Công an tỉnh Sơn La muốn người dân hiểu hơn về pin Lithium – ion nói chung, các thiết bị điện tử chúng ta đang sử dụng hàng ngày nói riêng và biết cách xử lý khi xảy ra cháy, nổ đối với loại đám cháy này.
Tuấn Anh
Chú thích ảnh:
1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin Lithium-ion.
2: Vụ cháy xe điện Tesla S và trạm sạc ở Na Uy
3: Cơ chế thoát nhiệt và đặc tính cháy của pin Lithium ion
4: 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.
