Nhu cầu sử dụng pin Lithium-ion (pin sạc) ngày càng tăng cao nhờ ưu điểm độ bền cao, sạc nhanh và chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, pin Lithium cũng tồn tại nguy cơ cháy nổ cao và khó chữa cháy bằng các biện pháp thông thường.

Cơ chế làm việc của pin sạc

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xanh và bền vững hiện nay, khi xe điện và năng lượng tái tạo ngày càng được chú trọng thì nhu cầu về pin sạc (pin Lithium) cũng tăng vọt. Bởi lithium là thành phần chính 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.

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, pin Lithium được coi là chìa khoá khắc phục nhược điểm phụ thuộc vào thời tiết của năng lượng mặt trời và điện gió. Bằng khả năng lưu trữ lớn, pin sạc sẽ kết hợp cùng điện gió và điện mặt trời dần thay thế nhiệt điện, từ đó giảm khí thải nhà kính.

Thành phần chính của pin Lithium-ion bao gồm: cực âm, chất điện phân, bộ phân tách và cực dương. Trong đó, cực dương có vai trò lưu trữ các ion Lithium trong quá trình sạc và các ion Lithium di chuyển đến cực âm trong quá trình phóng điện.

Nguy cơ cháy pin Lithium ion

Tỷ lệ lỗi của pin Lithium-ion được ước tính là 1 trên 40 triệu nếu được bảo quản và vận hành đúng cách theo khuyến cáo từ nhà sản xuất. Tuy nhiên, các yếu tố thực tế như ảnh hưởng từ nguồn nhiệt bên ngoài, sạc quá mức, tác động cơ học… (sau đây gọi là các yếu tố tác động cháy nổ) có thể làm tăng xác suất lỗi và nguy cơ cháy nổ.

Mặc dù nhiều giải pháp an toàn khác nhau đã được tích hợp vào các pin Lithium-ion thương mại, nhưng vẫn có những sự cố liên quan đến lỗi pin Lithium-ion đã xảy ra, như:

• Sự cố cháy taxi điện do đoản mạch tại Hàng Châu, Trung Quốc tháng 4/2011.
• Sự cố cháy 6 xe ô tô điện Tesla Model S do va chạm gây tự bốc cháy pin sạc tháng 11/2013.
• Sự cố cháy máy bay Boeing 747 tại Mỹ và Nhật Bản do lỗi pin Lithium-ion (đoản mạch và lỗi hệ thống quản lý) trong các năm 2013, 2014.
• Sự cố cháy hệ thống lưu trữ năng lượng 4MW/12MWh tại Hàn Quốc xuất phát từ 1 pin Lithium ion tự bốc cháy và lan ra tới hơn 3500 pin khác tháng 7/2018.

Cơ chế gây cháy và đặc tính cháy của pin Lithium ion

Cơ chế gây cháy chung 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.

Đồng thời, 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. 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 đang ở trong điều kiện có các yếu tố gây 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. Lúc này, các chất điện phân kèm theo một lượng nhỏ các khí như CO và H2 bay ra hoặc chảy ra ngoài.

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.

Giải pháp an toàn PCCC pin sạc

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 chất lượng là yếu tố quyết định đến độ bền nhiệt và sự phân phối năng lượng.

Đồng thời, 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. 

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, cần ít nhất 6 phút phun nước liên tục để dập tắt hoàn toàn đám cháy một chiếc xe ô tô 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).

Tham khảo thêm: Hướng dẫn chữa cháy xe điện và phòng cháy trạm sạc 

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.

Tuy nhiên, 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 bài nghiên cứu đăng trên Trang thông tin điện tử Cục cảnh sát PCCC và CNCH (tác giả Phan Tuấn Anh).