Mối quan ngại về an toàn với pin Li-ion

Tính an toàn của pin lithium đã thu hút sự chú ý của giới truyền thông và pháp lý. Bất kỳ thiết bị lưu trữ năng lượng nào cũng tiềm ẩn rủi ro, như đã được chứng minh vào những năm 1800 khi động cơ hơi nước phát nổ và gây thương tích cho con người. Việc chở xăng dễ cháy trên ô tô cũng là một chủ đề nóng vào đầu những năm 1900. Tất cả các loại pin đều tiềm ẩn rủi ro về an toàn, và các nhà sản xuất pin có nghĩa vụ phải đáp ứng các yêu cầu an toàn; các công ty kém uy tín thường làm ăn gian dối và đó là lời cảnh báo "người mua hãy cẩn thận!". Dưới đây là bài viết được Interlift tổng hợp và dịch chi tiết tới bạn đọc. 

Pin lithium an toàn, nhưng với hàng triệu người tiêu dùng đang sử dụng pin, nguy cơ hỏng hóc là điều khó tránh khỏi. Năm 2006, một sự cố hỏng hóc với tỷ lệ 1/200.000 đã dẫn đến việc thu hồi gần sáu triệu bộ pin lithium-ion. Sony, nhà sản xuất cell pin lithium-ion đang được đề cập, chỉ ra rằng trong một số trường hợp hiếm hoi, các hạt kim loại siêu nhỏ có thể tiếp xúc với các bộ phận khác của cell pin, dẫn đến đoản mạch bên trong cell pin.

Các nhà sản xuất pin đang nỗ lực giảm thiểu sự hiện diện của các hạt kim loại. Ngành công nghiệp bán dẫn đã chi hàng tỷ đô la để tìm cách giảm thiểu các hạt làm giảm năng suất trong các tấm wafer. Phòng sạch tiên tiến đạt Cấp độ 10, trong đó có 10.000 hạt có kích thước lớn hơn 0,1µm trên một mét khối (ISO 4 theo tiêu chuẩn ISO 14644 và ISO 14698). Mặc dù có độ sạch cao như vậy, các khuyết tật hạt vẫn tồn tại trong các tấm wafer bán dẫn. Cấp độ 10 làm giảm số lượng hạt nhưng không loại bỏ hoàn toàn chúng.

Các nhà sản xuất pin có thể sử dụng phòng sạch được kiểm soát kém nghiêm ngặt hơn so với ngành công nghiệp bán dẫn. Trong khi một chất bán dẫn không hoạt động sẽ chỉ nằm trong thùng rác, một pin Li-ion bị lỗi có thể xâm nhập vào mà không bị phát hiện và xuống cấp mà không hề hay biết. Những hư hỏng phát sinh đặc biệt nghiêm trọng khi các bộ tách được làm mỏng đi để tăng năng lượng riêng.

Một Cell pin bị lỗi có thể xâm nhập vào thị trường và để lại hậu quả

Các cell pin có màng ngăn siêu mỏng 24µm hoặc nhỏ hơn (24 phần nghìn mm) dễ bị nhiễm tạp chất hơn so với các thiết kế cũ có chỉ số Ah thấp hơn. Trong khi cell 1.350 mAh trong gói 18650 có thể chịu được thử nghiệm đâm xuyên bằng đinh, thì cell 3.400 mAh mật độ cao lại có thể bốc cháy khi thực hiện cùng thử nghiệm này. Các tiêu chuẩn an toàn mới hướng dẫn cách sử dụng pin, và thử nghiệm UL1642 của Underwriters Laboratories (UL) không còn yêu cầu phải đâm xuyên bằng đinh để đảm bảo an toàn cho pin lithium.

Để kiểm tra độ an toàn của một tế bào mới, nhà sản xuất có thể phát hành 1 triệu mẫu cho một nhóm nhân viên để quan sát. Tế bào này được chấp thuận sử dụng cho các nhiệm vụ quan trọng, chẳng hạn như y tế, nếu không xảy ra lỗi nào trong một năm có thể ảnh hưởng đến độ an toàn. Thử nghiệm thực địa tương tự cũng thường được áp dụng với các sản phẩm dược phẩm.

Pin Li-ion sử dụng oxit kim loại thông thường đang gần đạt đến giới hạn lý thuyết về năng lượng riêng. Thay vì tối ưu hóa dung lượng, các nhà sản xuất pin đang cải thiện phương pháp sản xuất để tăng cường an toàn và kéo dài tuổi thọ pin. Vấn đề thực sự nằm ở chỗ, trong một số trường hợp hiếm hoi, hiện tượng đoản mạch xảy ra bên trong cell pin. Các thiết bị bảo vệ ngoại vi bên ngoài không đủ hiệu quả để ngăn chặn hiện tượng mất kiểm soát nhiệt khi pin đã hoạt động. Các pin bị thu hồi năm 2006 đã vượt qua các yêu cầu an toàn của UL — nhưng chúng lại không hoạt động bình thường với các mạch bảo vệ phù hợp.

Có hai loại hỏng hóc pin cơ bản. Loại thứ nhất xảy ra với tần suất dự đoán được trên một triệu lần và liên quan đến lỗi thiết kế liên quan đến điện cực, bộ tách, chất điện phân hoặc quy trình. Những lỗi này thường đòi hỏi phải thu hồi để khắc phục lỗi đã phát hiện. Các lỗi khó sửa hơn là các sự kiện ngẫu nhiên không liên quan đến lỗi thiết kế. Nó có thể là một sự cố bất ngờ như sạc ở nhiệt độ dưới mức đóng băng, rung động, hoặc một sự cố bất ngờ tương tự như bị thiên thạch đâm trúng.

Hãy cùng xem xét kỹ hơn hoạt động bên trong của cell. Một sự cố ngắn mạch nhẹ sẽ chỉ gây ra hiện tượng tự phóng điện cao và sự tích tụ nhiệt là rất nhỏ vì công suất phóng điện rất thấp. Nếu đủ các hạt kim loại cực nhỏ hội tụ tại một điểm, một dòng điện lớn sẽ bắt đầu chạy giữa các điện cực của cell, và điểm đó sẽ nóng lên và yếu đi. Giống như một rò rỉ nước nhỏ trong một đập thủy điện bị lỗi có thể phát triển thành một dòng nước lũ và phá hủy một công trình, sự tích tụ nhiệt cũng có thể làm hỏng lớp cách điện trong cell và gây ra sự cố ngắn mạch điện. Nhiệt độ có thể nhanh chóng đạt tới 500°C (932°F), tại thời điểm đó cell sẽ bắt lửa hoặc phát nổ. Sự thoát nhiệt xảy ra này được gọi là "xả bằng lửa". "Tháo rời nhanh chóng" là thuật ngữ được ngành công nghiệp pin ưa chuộng.

Bộ tách không đều cũng có thể gây hỏng cell. Độ dẫn điện kém do các vùng khô làm tăng điện trở, có thể tạo ra các điểm nóng cục bộ làm suy yếu tính toàn vẹn của bộ tách. Nhiệt độ luôn là kẻ thù của pin.

Hầu hết các nhà sản xuất pin Li-ion lớn đều chụp X-quang từng cell pin như một phần của quy trình kiểm soát chất lượng tự động. Phần mềm sẽ kiểm tra các điểm bất thường như các tab bị cong hoặc các cuộn thạch bị nghiền nát. Đây là lý do tại sao pin Li-ion rất an toàn ngày nay, nhưng quy trình sản xuất cẩn thận như vậy có thể chỉ được cung cấp bởi các thương hiệu uy tín.

Tại sao pin bị hỏng?

Pin lithium-ion chất lượng cao an toàn nếu sử dụng đúng mục đích. Tuy nhiên, đã có rất nhiều báo cáo về sự cố nhiệt và cháy nổ ở các sản phẩm tiêu dùng sử dụng pin không được chứng nhận, và ván trượt điện là một ví dụ. Vấn đề này có thể đã được giải quyết bằng cách sử dụng pin Li-ion được chứng nhận trên hầu hết các mẫu xe hiện tại. Tại một cuộc họp ở Washington, D.C., một quan chức của UL cho biết không có sự cố quá nhiệt hoặc cháy nổ nào được báo cáo kể từ khi pin Li-ion trong ván trượt điện được chứng nhận. Các vụ cháy bắt nguồn từ Samsung Galaxy Note 7 là do lỗi sản xuất đã được khắc phục. Pin chính của máy bay Boeing 787 Dreamliner cũng có những lỗi đã được khắc phục.

Một số lỗi của pin Lithium xuất hiện trên điện thoại, máy bay

Việc sử dụng pin không đúng cách bao gồm rung động quá mức, nhiệt độ tăng cao và sạc pin Li-ion dưới mức đóng băng. Pin Li-ion và pin axit chì không thể xả hết và phải được bảo quản với lượng điện còn lại. Trong khi pin niken có thể được bảo quản ở trạng thái xả hết mà không có tác dụng phụ rõ ràng, thì pin Li-ion không được giảm xuống dưới 2V/cell trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Các shunt đồng hình thành bên trong cell có thể dẫn đến hiện tượng tự xả tăng cao hoặc đoản mạch một phần. Nếu được sạc lại, cell có thể trở nên không ổn định, gây ra nhiệt độ quá cao hoặc các bất thường khác.

Nhiệt độ kết hợp với quá trình sạc đầy được cho là gây ra nhiều áp lực hơn cho pin Li-ion so với chu kỳ sạc thông thường. Hãy để pin và thiết bị tránh xa ánh nắng mặt trời và bảo quản ở nơi thoáng mát khi sạc một phần. Việc vượt quá dòng điện sạc khuyến nghị bằng cách sạc cực nhanh cũng gây hại cho pin Li-ion. Niken-cadmium là hợp chất hóa học duy nhất có thể sạc cực nhanh với áp lực tối thiểu. (Xem BU-401a: Bộ sạc nhanh và Bộ sạc siêu nhanh )

Pin Li-ion đã qua sử dụng có thể hoạt động bình thường, nhưng chúng sẽ nhạy cảm hơn với các tác động cơ học. Nhà sản xuất phải chịu trách nhiệm về pin hỏng, ngay cả khi lỗi có thể do sử dụng và xử lý không đúng cách. Điều này khiến các nhà sản xuất pin lo lắng và họ luôn nỗ lực hết sức để đảm bảo sản phẩm của mình an toàn. Hãy đối xử với pin như một cơ thể sống bằng cách ngăn ngừa áp lực quá mức.

Với hơn một tỷ điện thoại di động và máy tính được sử dụng trên toàn thế giới mỗi ngày, số vụ tai nạn là rất nhỏ. Để so sánh, Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA) cho biết nguy cơ bị sét đánh trong suốt cuộc đời của một người là khoảng 1/13.000. Pin lithium-ion có tỷ lệ hỏng hóc dưới một phần triệu. Tỷ lệ hỏng hóc của một cell pin Li-ion chất lượng tốt hơn nhiều, chỉ khoảng 1/10 triệu.

Pin công nghiệp, chẳng hạn như pin dùng cho dụng cụ điện, thường bền hơn pin dùng cho sản phẩm tiêu dùng. Bên cạnh kết cấu chắc chắn, pin dụng cụ điện được tối ưu hóa để cung cấp năng lượng và tiêu thụ ít năng lượng hơn cho thời gian hoạt động dài. Pin Power Cell có chỉ số Ah thấp hơn pin Energy Cell và nhìn chung có khả năng chịu đựng tốt hơn và an toàn hơn nếu bị lạm dụng.

An toàn pin nơi công cộng giải quyết các mối quan ngại về pin tiêu dùng. Một trong những loại pin dễ gây tai nạn nhất là pin Li-ion trong cell 18650 với tên thương hiệu không quen thuộc. Những loại pin được cung cấp cho thuốc lá điện tử này không có cùng chất lượng và độ an toàn như một thương hiệu được công nhận. Li-ion an toàn nếu được sản xuất bởi một nhà sản xuất có uy tín, nhưng đã có một số vụ cháy và thương tích do các cell pin bị lỗi và bắt lửa khi mang theo quần áo và khi đang di chuyển. Một vụ cháy trên máy bay đã buộc một máy bay của WestJet phải quay trở lại sân bay vào năm 2018 ngay sau khi cất cánh. Pin thuốc lá điện tử đang cháy đã bị bỏ trái phép vào hành lý như một pin dự phòng và được ký gửi. Khoang chứa hàng của máy bay không thể tiếp cận được khi đang bay và pin đang cháy đòi hỏi phải hạ cánh ngoài kế hoạch. Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) đã ghi nhận 206 sự cố liên quan đến pin Li-ion từ năm 1991 đến năm 2018.

Cell pin bi chay

Xe điện cũng có những lo ngại về an toàn. Tuy nhiên, thống kê cho thấy xe điện ít gây ra hỏa hoạn hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) trên mỗi tỷ km di chuyển. Theo Hiệp hội Phòng cháy Chữa cháy Quốc gia (NFPA), hơn 400.000 xe sử dụng động cơ ICE đã bị cháy trong những năm 1980. Ngày nay, tỷ lệ 90 vụ cháy trên mỗi tỷ km di chuyển của xe sử dụng động cơ ICE được coi là bình thường; các báo cáo cho biết Tesla chỉ gặp hai vụ cháy trên mỗi tỷ km di chuyển.

Phải làm gì khi pin quá nóng hoặc bắt lửa

Nếu pin Li-ion bị quá nhiệt, phát ra tiếng rít hoặc phồng lên, hãy ngay lập tức di chuyển thiết bị ra khỏi vật liệu dễ cháy và đặt lên bề mặt không cháy. Nếu có thể, hãy tháo pin ra và đặt ngoài trời để pin tự cháy. Việc chỉ ngắt kết nối pin khỏi nguồn sạc có thể không ngăn chặn được quá trình phá hủy của pin.

Một đám cháy Li-ion nhỏ có thể được xử lý như bất kỳ đám cháy dễ cháy nào khác. Để đạt hiệu quả tốt nhất, hãy sử dụng bình chữa cháy dạng bọt, CO2 , hóa chất khô ABC, than chì dạng bột, bột đồng hoặc soda (natri cacbonat). Nếu đám cháy xảy ra trong khoang máy bay, Cục Hàng không Liên bang (FAA) hướng dẫn tiếp viên hàng không sử dụng nước hoặc nước ngọt. Các sản phẩm gốc nước dễ kiếm và phù hợp nhất vì Li-ion chứa rất ít kim loại lithium phản ứng với nước. Nước cũng làm mát khu vực xung quanh và ngăn ngừa đám cháy lan rộng. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu và nhà máy cũng sử dụng nước để dập tắt đám cháy pin Li-ion.

Phi hành đoàn không thể tiếp cận khu vực chứa hàng hóa của máy bay chở khách trong khi bay. Để đảm bảo an toàn trong trường hợp hỏa hoạn, máy bay phải sử dụng hệ thống chữa cháy. Halon là một chất chữa cháy thông dụng, nhưng chất này có thể không đủ để dập tắt đám cháy pin Li-ion trong khoang hàng hóa. Các thử nghiệm của FAA cho thấy khí halon chống cháy được lắp đặt trong khu vực chứa hàng hóa của máy bay không thể dập tắt đám cháy pin kết hợp với các vật liệu dễ cháy khác, chẳng hạn như khí trong bình xịt hoặc mỹ phẩm mà hành khách thường mang theo. Tuy nhiên, hệ thống này ngăn chặn đám cháy lan sang các vật liệu dễ cháy lân cận như bìa cứng hoặc quần áo.

Với việc sử dụng pin Li-ion ngày càng tăng, các phương pháp chữa cháy lithium tiên tiến đã được phát triển. Chất chữa cháy phân tán Vermiculite dạng nước (AVD) phân tán vermiculite đã được tách lớp hóa học dưới dạng sương mù, mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các sản phẩm hiện có. Bình chữa cháy AVD có sẵn trong bình xịt 400ml cho các đám cháy nhỏ; bình AVD cho nhà kho và nhà máy; hệ thống xe đẩy AVD 50 lít cho các đám cháy lớn hơn, và hệ thống mô-đun có thể vận chuyển trên xe bán tải.

Vermiculite 

Extover® là một chất chữa cháy khác có khả năng dập tắt và làm ngạt pin Li-ion đang cháy một cách hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại cho khu vực xung quanh thông qua việc cô lập nguồn lửa. Vật liệu thủy tinh nhẹ và dễ chảy này có thể được phủ lên pin đang cháy bằng tay, xô hoặc xẻng. Kích thước hạt vật liệu thay đổi từ 0,04mm đến 2mm để phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Extover® cho phép pin cháy an toàn với lớp phủ đồng nhất vì pin Li-ion đang cháy không dễ dàng bị dập tắt. Extover® không chứa tác nhân hóa học, được làm từ 100% vật liệu tái chế sau khi sử dụng và phù hợp cho cả pin cỡ nhỏ và lớn. Vật liệu này có thể được tái sử dụng nếu sạch sẽ.

Một chất chống cháy hiệu quả và sẵn có là cát được chứa trong thùng chống cháy. Trong trường hợp hỏa hoạn, pin đang cháy được chuyển vào thùng và phủ cát lên trên để kiểm soát quá trình cháy. Cát cũng có thể được phủ lên pin nóng để ngăn lửa lan rộng. Cát nặng hơn khoảng ba lần so với Extover® làm từ thủy tinh tái chế.

Một đám cháy Li-ion lớn, chẳng hạn như trong xe điện, có thể cần phải dập tắt. Có thể sử dụng nước pha đồng, nhưng loại này có thể không có sẵn và rất tốn kém cho đội cứu hỏa. Các chuyên gia ngày càng khuyến nghị sử dụng nước ngay cả với các đám cháy Li-ion lớn. Nước làm giảm nhiệt độ cháy nhưng không được khuyến khích sử dụng cho các đám cháy pin chứa lithium-metal.

Nghiên cứu của IdTechEx cho thấy 17% vụ cháy EV xảy ra trong quá trình lái xe thông thường; 25% khi sạc; 20% trong một vụ va chạm; và 4% khi để pin tiếp xúc quá mức với không khí hoặc nước. Báo cáo cho biết các vụ cháy EV nghiêm trọng hơn so với các loại xe ICE thông thường. Một vụ cháy Tesla Model S cần gần 30.000 gallon (hơn 100.000 lít) nước để dập tắt đám cháy do cháy lại và liên tục trong bốn giờ. Để so sánh, một vụ cháy xe thông thường với động cơ ICE có thể được dập tắt bằng khoảng 300 gallon (> 1.000 lít) nước. Biện pháp khắc phục các vụ cháy EV thường là thay đổi phần mềm để giảm dung lượng pin xuống 90%. Ngoài ra còn có một số lỗi sản xuất hiếm gặp ở các cell pin. IDTechEx dự kiến các quy định chặt chẽ hơn về thiết kế với việc sử dụng nhiều vật liệu chống cháy hơn.

Khi gặp hỏa hoạn liên quan đến pin lithium-metal, chỉ sử dụng bình chữa cháy loại D. Pin lithium-metal chứa nhiều lithium, phản ứng với nước và khiến đám cháy trở nên nghiêm trọng hơn. Khi số lượng xe điện (EV) tăng lên, các phương pháp dập tắt đám cháy cũng phải thay đổi.

Trong quá trình mất ổn định nhiệt, nhiệt độ cao của cell pin bị hỏng bên trong một cụm pin có thể lan sang các cell pin bên cạnh, khiến chúng cũng trở nên không ổn định về nhiệt. Một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra, trong đó mỗi cell pin sẽ tự phân hủy theo thời gian biểu riêng. Do đó, một cụm pin có thể bị phá hủy trong vài giây hoặc trong vài giờ khi mỗi cell pin bị tiêu thụ. Để tăng cường an toàn, các cụm pin nên có các vách ngăn để ngăn cell pin bị hỏng lan sang các cell pin bên cạnh. Hình 1 cho thấy một máy tính xách tay bị hỏng do pin Li-ion bị lỗi.

Hình 1: Pin Li-ion bị nghi ngờ đã phá hủy máy tính xách tay [1]
Chủ sở hữu cho biết máy tính xách tay nổ lốp bốp, kêu xì xì, xèo xèo và bắt đầu khiến căn phòng bốc khói.
Khí thải ra từ pin Li-ion chủ yếu là carbon dioxide (CO2 ) . Các loại khí khác hình thành trong quá trình gia nhiệt là chất điện phân bay hơi bao gồm hydro florua (HF) từ 20–200mg/Wh, và phosphoryl florua (POF3 ) từ 15–22mg/Wh. Khí cháy cũng bao gồm các sản phẩm cháy và dung môi hữu cơ.

Kiến thức về độc tính của việc đốt chất điện phân còn hạn chế và độc tính có thể cao hơn so với các chất dễ cháy thông thường. Hãy thông gió cho phòng và di chuyển ra khỏi khu vực nếu có khói và khí. Khí và khói trong khu vực kín như máy bay, tàu ngầm và hầm mỏ có thể gây ra nguy cơ tiềm ẩn cho sức khỏe.

Trong khi pin lithium được nghiên cứu kỹ lưỡng về độ an toàn, pin niken và chì cũng gây ra hỏa hoạn và đang được thu hồi. Nguyên nhân là do bộ tách điện bị lỗi do lão hóa, thao tác thô bạo, rung động quá mức và nhiệt độ cao. Pin lithium-ion đã trở nên rất an toàn và hiếm khi xảy ra sự cố liên quan đến nhiệt khi sử dụng đúng cách.

Sự định nghĩa

Hydro florua (HF) : một chất khí hoặc lỏng không màu. Đây là nguồn chính của flo, nguyên liệu cho dược phẩm, polyme (Teflon) và hỗ trợ công nghiệp hóa dầu. Hydro florua là một loại khí cực kỳ nguy hiểm, tạo thành axit flohydric ăn mòn và có tính thấm cao khi tiếp xúc với hơi ẩm. Với số lượng lớn, khí này có thể gây mù do phá hủy giác mạc.
Phosphoryl fluoride (POF 3 ): một loại khí không màu thủy phân nhanh.
Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) : một hợp chất vô cơ ở dạng bột tinh thể màu trắng đóng vai trò là chất điện phân trong pin Li-ion.

Hướng dẫn đơn giản để sử dụng pin Lithium-ion

Pin Li-ion bị hỏng sẽ bắt đầu phát ra tiếng rít, phồng lên và rò rỉ chất điện phân .
Chất điện phân bao gồm muối lithium trong dung môi hữu cơ (lithium hexafluorophosphate) và rất dễ cháy. Chất điện phân cháy có thể làm cháy vật liệu dễ cháy ở gần.
Dập lửa bằng nước hoặc sử dụng bình chữa cháy thông thường. Chỉ sử dụng bình chữa cháy loại D cho các đám cháy lithium-kim loại do phản ứng giữa nước và lithium. (Li-ion chứa rất ít kim loại lithium phản ứng với nước.)
Nếu không có bình chữa cháy loại D, hãy dập lửa kim loại lithium bằng nước để ngăn đám cháy lan rộng.
Để dập tắt đám cháy Li-ion hiệu quả nhất, hãy sử dụng bình chữa cháy dạng bọt, CO2 , hóa chất khô ABC, than chì dạng bột, bột đồng hoặc soda (natri cacbonat) như cách bạn dập tắt các đám cháy dễ cháy khác. Chỉ sử dụng bình chữa cháy loại D cho đám cháy lithium-kim loại.
Nếu không thể dập tắt được ngọn lửa của pin lithium-ion đang cháy, hãy để pin cháy theo cách có kiểm soát và an toàn.
Hãy chú ý đến quá trình nhân lên của tế bào vì mỗi tế bào có thể bị tiêu thụ theo thời gian riêng khi nóng. Hãy đặt một gói dường như đã cháy hết ra ngoài trong một khoảng thời gian.