Cùng điểm lại vụ nổi tiếng trong vài năm trở lại đây để trả lời cho câu hỏi Pin Lithium có thực sự dễ cháy nổ như mọi người nghĩ
Có lẽ truyền thông cũng rất ưu ái cho Pin Lithium, đặc biệt mỗi khi có 1 vụ cháy nổ nào đó liên quan tới Pin Lithium thì được hơn 3 tỷ người biết qua các trang mạng. Thực thế. tỷ lệ cháy nổ của Pin Lithium còn rất thấp và thậm chí còn ít hơn xác xuất cháy nổ của một chiếc bật lửa gas truyền thống
– Trong thế giới công nghệ , không ai có thể bỏ qua 2 vụ bê bối nổi tiếng của Samsung Note 7 và Macbook Pro 2015 ( sản xuất từ 09/2015-09/2017) với nguy cơ cháy nổ, lỗi pin hàng loạt gây nguy hiểm cho người dùng và an ninh hàng không
- Trong lĩnh vực xe điện: Thì nổi lên với 2 nhà sản xuất xe điện và sản xuất pIn Lớn nhất trên thế giới là Tesla và LG Chem
và cú sốc lớn nhất trong ngành công nghiệp Lithium toàn cầu là việc ngày 25/11/2020,Cơ quan giao thông Hàn Quốc hôm 25/11/2020 đã ra lệnh thu hồi xe Bolt EV của GM Hàn Quốc do nguy cơ phát hỏa từ chiếc xe thuần điện này.
Đợt triệu hồi tại Hàn Quốc là một phần của đợt thu hồi khoảng 68.000 chiếc Bolt EV trên toàn cầu do General Motors công bố hồi đầu tháng này, với lý do có thể xảy ra cháy từ khối pin.
Tại Hàn Quốc, GM sẽ phải thu hồi 9.476 chiếc Bolt EV được sản xuất trong khoảng thời gian từ tháng 11/2016 đến tháng 6/2019. Toàn bộ lô xe được trang bị pin lithium-ion của LG Chem.
“Bolt EV có nguy cơ bốc cháy khi pin điện áp cao của nó được sạc đầy hoặc gần được sạc đầy”, Bộ Đất đai, cơ sở hạ tầng và giao thông Hàn Quốc cho biết trong một thông cáo.
Rõ ràng, con đường là chủ được PIn Lithium vẫn đang được tiến hành và nhu cầu thị trường đang trở lên ” phát cuồng” với nguồn lưu trữ năng lượng sáng giá nhất cho thể kỷ 21 này
Các nhà sản xuất đang đẩy nhanh các bước tiến công nghệ như tăng mật độ năng lượng, giảm kích thước pin… cũng đã một phần gây nên các vụ sự cố cháy nổ về pin Lithium
- Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: vụ cháy lớn nhất được ghi nhận là Nhà máy pin lưu trữ năng lượng Mặt Trời khổng lồ Victorian Big Battery có trụ sở tại thành phố Geelong thuộc bang Victoria (Australia), đã bốc cháy vào sáng 30/7, chỉ một ngày sau khi chính thức đi vào hoạt động.
Lý do cháy nổ Pin Lithium thì rất nhiều nhưng cơ bản ở 2 yếu tố quyết định
- yếu tố bên ngoài: sự va đập, kết cấu khung gầm , trình độ packing, môi trường bên ngoài….
- yếu tố bên trong: Đoản mạch vách ngăn bên trong pin, tăng áp suất trong quá trình sạc, vấn đề xảy ra nếu có một lỗi hoặc một hư hỏng nhỏ với những vách ngăn đoản mạch siêu mỏng giúp giữ các thành phần trong pin tách rời nhau có thể dẫn đến hiện tượng “chập mạch” bên trong pin và sinh ra nhiệt, sau đó là “thoát nhiệt”, từ đó pin bị nóng lên và có thể bốc cháy. Và khi xảy ra va chạm như tai nạn, nguy cơ cháy từ hệ thống pin này là rất lớn.
Trong tương lai gần đây, các nhà sản xuất đang hướng tới dòng pin Lifepo4- sắt photphat với giá cả phải chăng, độ an toàn và đáng tin cậy . Như Teslar sử dụng Lifepo4 cho xe điện tại thị trường Trung Quốc, hay Apple cũng đang hướng tới dòng pin này cho các sản phẩm xe điện của hãng trong tương lai
Lifepo4- Tuy mật độ năng lượng vẫn đang ở mức trung bình nhưng về cơ bản, tương lai sẽ được cải thiện và là bước tiến tiếp theo cho quá trình làm chủ nguồn năng lượng lưu trữ đầy mạnh mẽ này – Lithium
Cùng xem đoạn Video ngắn về khả năng chống cháy nổ- siêu an toàn của Lifepo4
Cùng Lithium Việt Nam tìm hiểu nguyên nhân cháy nổ của Pin Lithium và cách phòng cháy
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.
