Mai Nhung
Writer
Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Trung văn Hong Kong (CUHK) vừa công bố một thiết kế pin lithium-ion mới với khả năng giảm thiểu tối đa nguy cơ cháy nổ. Bằng việc thay đổi thành phần hóa học trong dung dịch điện phân, công nghệ này hứa hẹn giải quyết bài toán hóc búa giữa việc duy trì hiệu suất cao và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Giải quyết nghịch lý giữa hiệu suất và an toàn
Trong ngành công nghiệp năng lượng hiện nay, việc tối ưu hóa pin lithium-ion thường vấp phải một sự đánh đổi lớn: muốn tăng hiệu suất thì phải chấp nhận rủi ro an toàn cao hơn và ngược lại. Bà Yue Sun, nhà nghiên cứu tại CUHK, giải thích rằng để nâng cao hiệu suất, các phản ứng hóa học cần được tập trung tối ưu ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, để gia tăng tính an toàn, trọng tâm lại phải đặt vào việc kiểm soát các phản ứng ở nhiệt độ cao.
Cơ chế "tự vệ" thông minh của dung môi kép
Nguyên nhân cốt lõi của hầu hết các vụ cháy pin xuất phát từ việc một phần chất điện phân bị phân hủy dưới áp lực, từ đó giải phóng nhiệt và kích hoạt một phản ứng dây chuyền nguy hiểm. Để khắc phục, thiết kế của Sun và các cộng sự sử dụng một loại chất điện phân mới bao gồm hai dung môi khác nhau, hoạt động như một hệ thống lá chắn hai lớp.
Ở điều kiện nhiệt độ phòng, dung môi thứ nhất đóng vai trò giữ cho cấu trúc hóa học của pin chắc chắn và gọn gàng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, khi pin bắt đầu nóng lên do các tác nhân bên ngoài hoặc lỗi kỹ thuật, dung môi thứ hai sẽ chiếm ưu thế. Cơ chế của dung môi này là làm lỏng cấu trúc hóa học, từ đó làm chậm lại các phản ứng có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway). Đây là hiện tượng cực kỳ nguy hiểm khi một tế bào pin nóng lên nhanh chóng, làm tăng dòng điện và tiếp tục đẩy nhiệt độ lên cao, dẫn đến cháy nổ.
Hiệu quả thực tiễn qua các thử nghiệm khắc nghiệt
Hiệu quả của công nghệ mới đã được chứng minh qua các bài kiểm tra an toàn nghiêm ngặt. Trong thử nghiệm đâm thủng bằng đinh – một trong những tình huống giả lập sự cố vật lý nghiêm trọng nhất – viên pin sử dụng thiết kế mới chỉ ghi nhận mức tăng nhiệt độ lên 3,5 độ C. Con số này là sự khác biệt cực lớn so với mức tăng nhiệt đột biến lên tới 555 độ C thường thấy ở các loại pin truyền thống.
Bên cạnh khả năng chống chịu nhiệt, nhóm nghiên cứu khẳng định loại pin này không hề bị ảnh hưởng tiêu cực về hiệu suất hay độ bền. Kết quả thử nghiệm cho thấy pin vẫn giữ được hơn 80% dung lượng ban đầu sau 1.000 chu kỳ sạc, đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về tuổi thọ của thiết bị điện tử hiện đại.
Thử nghiệm dùng đinh để đâm thủng một viên pin sẵn có trên thị trường (hàng trên) và viên pin trong nghiên cứu của CUHK (hàng dưới)
Triển vọng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi
Giáo sư Yi-Chun Lu, chuyên gia cơ khí và kỹ thuật tự động hóa tại CUHK, thành viên của nhóm nghiên cứu, nhấn mạnh tính ứng dụng cao của phát minh này. Do bản chất của phát minh là sự cải tiến về chất điện phân, nó có thể dễ dàng được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất pin hiện có trên thị trường mà không cần thay đổi quy trình cốt lõi. Về cơ bản, các nhà sản xuất chỉ cần thay thế chất điện phân cũ bằng loại dung môi mới.
Mặc dù công thức hóa học mới có thể làm tăng nhẹ chi phí sản xuất ban đầu, nhưng ở quy mô công nghiệp lớn, giá thành dự kiến sẽ gần như tương đương với pin lithium-ion hiện nay. Hiện tại, Giáo sư Lu cùng các cộng sự đang trong quá trình thảo luận với các nhà sản xuất pin để sớm đưa công nghệ này ra thị trường, với lộ trình ước tính từ 3 đến 5 năm tới.
Trong các thử nghiệm, nhóm đã chế tạo thành công viên pin đủ công suất cho máy tính bảng. Tuy nhiên, để ứng dụng cho xe điện, cần có thêm các kiểm chứng ở kích thước lớn hơn. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng loại pin này sẽ được sử dụng rộng rãi cho mọi thiết bị từ sạc dự phòng, laptop đến điện thoại thông minh, cho phép người dùng sạc thiết bị qua đêm mà không còn nỗi lo về hỏa hoạn.
Đánh giá về công trình này, Giáo sư Jorge Seminario từ Đại học Texas A&M nhận định rằng thiết kế mới đã giải quyết được một trong những thách thức lớn nhất của ngành năng lượng. Nghiên cứu mang tính đổi mới cao và cung cấp một giải pháp thiết thực cho nút thắt trọng yếu về an toàn của pin lithium-ion năng lượng cao. Kết quả nghiên cứu chi tiết đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Nature Energy.
Giải quyết nghịch lý giữa hiệu suất và an toàn
Trong ngành công nghiệp năng lượng hiện nay, việc tối ưu hóa pin lithium-ion thường vấp phải một sự đánh đổi lớn: muốn tăng hiệu suất thì phải chấp nhận rủi ro an toàn cao hơn và ngược lại. Bà Yue Sun, nhà nghiên cứu tại CUHK, giải thích rằng để nâng cao hiệu suất, các phản ứng hóa học cần được tập trung tối ưu ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, để gia tăng tính an toàn, trọng tâm lại phải đặt vào việc kiểm soát các phản ứng ở nhiệt độ cao.
Nhận thấy sự mâu thuẫn này, nhóm nghiên cứu đã nảy ra ý tưởng phá vỡ quy tắc truyền thống bằng cách thiết kế một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Vật liệu này được kỳ vọng sẽ hoạt động hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ thường, đồng thời vẫn duy trì được sự ổn định cần thiết khi nhiệt độ tăng cao bất thường.Cơ chế "tự vệ" thông minh của dung môi kép
Nguyên nhân cốt lõi của hầu hết các vụ cháy pin xuất phát từ việc một phần chất điện phân bị phân hủy dưới áp lực, từ đó giải phóng nhiệt và kích hoạt một phản ứng dây chuyền nguy hiểm. Để khắc phục, thiết kế của Sun và các cộng sự sử dụng một loại chất điện phân mới bao gồm hai dung môi khác nhau, hoạt động như một hệ thống lá chắn hai lớp.
Ở điều kiện nhiệt độ phòng, dung môi thứ nhất đóng vai trò giữ cho cấu trúc hóa học của pin chắc chắn và gọn gàng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, khi pin bắt đầu nóng lên do các tác nhân bên ngoài hoặc lỗi kỹ thuật, dung môi thứ hai sẽ chiếm ưu thế. Cơ chế của dung môi này là làm lỏng cấu trúc hóa học, từ đó làm chậm lại các phản ứng có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway). Đây là hiện tượng cực kỳ nguy hiểm khi một tế bào pin nóng lên nhanh chóng, làm tăng dòng điện và tiếp tục đẩy nhiệt độ lên cao, dẫn đến cháy nổ.
Hiệu quả thực tiễn qua các thử nghiệm khắc nghiệt
Hiệu quả của công nghệ mới đã được chứng minh qua các bài kiểm tra an toàn nghiêm ngặt. Trong thử nghiệm đâm thủng bằng đinh – một trong những tình huống giả lập sự cố vật lý nghiêm trọng nhất – viên pin sử dụng thiết kế mới chỉ ghi nhận mức tăng nhiệt độ lên 3,5 độ C. Con số này là sự khác biệt cực lớn so với mức tăng nhiệt đột biến lên tới 555 độ C thường thấy ở các loại pin truyền thống.
Bên cạnh khả năng chống chịu nhiệt, nhóm nghiên cứu khẳng định loại pin này không hề bị ảnh hưởng tiêu cực về hiệu suất hay độ bền. Kết quả thử nghiệm cho thấy pin vẫn giữ được hơn 80% dung lượng ban đầu sau 1.000 chu kỳ sạc, đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về tuổi thọ của thiết bị điện tử hiện đại.
Thử nghiệm dùng đinh để đâm thủng một viên pin sẵn có trên thị trường (hàng trên) và viên pin trong nghiên cứu của CUHK (hàng dưới)
Triển vọng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi
Giáo sư Yi-Chun Lu, chuyên gia cơ khí và kỹ thuật tự động hóa tại CUHK, thành viên của nhóm nghiên cứu, nhấn mạnh tính ứng dụng cao của phát minh này. Do bản chất của phát minh là sự cải tiến về chất điện phân, nó có thể dễ dàng được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất pin hiện có trên thị trường mà không cần thay đổi quy trình cốt lõi. Về cơ bản, các nhà sản xuất chỉ cần thay thế chất điện phân cũ bằng loại dung môi mới.
Mặc dù công thức hóa học mới có thể làm tăng nhẹ chi phí sản xuất ban đầu, nhưng ở quy mô công nghiệp lớn, giá thành dự kiến sẽ gần như tương đương với pin lithium-ion hiện nay. Hiện tại, Giáo sư Lu cùng các cộng sự đang trong quá trình thảo luận với các nhà sản xuất pin để sớm đưa công nghệ này ra thị trường, với lộ trình ước tính từ 3 đến 5 năm tới.
Trong các thử nghiệm, nhóm đã chế tạo thành công viên pin đủ công suất cho máy tính bảng. Tuy nhiên, để ứng dụng cho xe điện, cần có thêm các kiểm chứng ở kích thước lớn hơn. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng loại pin này sẽ được sử dụng rộng rãi cho mọi thiết bị từ sạc dự phòng, laptop đến điện thoại thông minh, cho phép người dùng sạc thiết bị qua đêm mà không còn nỗi lo về hỏa hoạn.
Đánh giá về công trình này, Giáo sư Jorge Seminario từ Đại học Texas A&M nhận định rằng thiết kế mới đã giải quyết được một trong những thách thức lớn nhất của ngành năng lượng. Nghiên cứu mang tính đổi mới cao và cung cấp một giải pháp thiết thực cho nút thắt trọng yếu về an toàn của pin lithium-ion năng lượng cao. Kết quả nghiên cứu chi tiết đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Nature Energy.
