Liệu bạn có biết loại pin nào được sử dụng để cung cấp năng lượng cho chiếc điện thoại, máy tính bảng hay laptop của bạn không? Đáp án chính là pin lithium-ion polymer, chúng xuất hiện trong bất kỳ thiết bị di động nào cần nguồn cung năng lượng liên tục, còn các thiết bị yêu cầu nguồn điện lớn như xe điện thường dùng pin lithium-ion vỏ cứng.
Pin Li-po là một trong những loại lưu trữ năng lượng đặc nhất, nên trong điều kiện thường, chúng rất an toàn. Tuy nhiên, rõ ràng báo chí vẫn đưa tin về các vụ nổ pin điện thoại và laptop thời gian gần đây, nguyên nhân thực sự là ở đâu và liệu có cách nào để ngăn chặn hay không.
Có ba lớp chính trong pin li-po: cực âm (+), dải phân cách cách điện và cực dương (-).
Trong đó, cực âm (+) là một tấm nhôm tráng mỏng. Lớp tráng này thể hiện các đặc tính về điện tích, mức phóng điện, công suất và chu kỳ khác nhau của viên pin. Mẫu số chung của tất cả các lớp phủ là lithium, một kim loại có tỷ trọng thấp, là yếu tố chính giúp pin hoạt động.
Từ trái qua phải: cực âm (+), dải phân cách cách điện và cực dương (-)
Dải phân cách cách điện là một tấm bán thấm linh hoạt, có chức năng phân tách lớp cực âm (+) và cực dương (-), đồng thời cho phép các ion lithium đi qua. Không có nó, cực âm và cực dương sẽ chạm vào nhau và gây đoản mạch.
Cực dương (-) là một tấm đồng mỏng được phủ lớp vật liệu carbon, thường là một loại than chì nào đó.
Tất cả 3 thành phần đều được ngâm ngập trong chất điện phân dạng gel, mục đích là để tạo môi trường trung gian để các ion lithium chảy vào. Nếu không có dòng ion, đồng nghĩa cũng sẽ không có năng lượng. Chất điện phân bao gồm hỗn hợp lithium, dung môi và chất phụ gia - lượng chất điện phân ảnh hưởng mạnh đến lượng năng lượng mà pin li-po có thể lưu trữ. Mỗi nhà sản xuất lại có một công thức sản xuất pin khác nhau, và là một bí mật thương mại ảnh hưởng đến tồn vong của công ty đó.
Thông thường, chất điện phân được cách ly an toàn khỏi những thứ có thể biến nó thành mồi lửa. Tuy nhiên, đôi khi những dụng cụ sửa chữa (thường có đầu nhọn) có thể xuyên thủ lớp áo giáp đó.
Video thử nghiệm của nhóm iFixit
Khi bạn chọc thủng pin li-po, đồng nghĩa bạn đang chọc thủng các lớp cách điện và gây ra hiện tượng đoản mạch cục bộ. Tất cả năng lượng điện được lưu trữ trong pin cần phải chạy qua điểm cách điện này, và dòng điện sản sinh sẽ làm nóng điểm này lên cực đại, đây cũng là nguyên lý hoạt động của bật lửa trên trên ôtô.
Điểm nóng trên sẽ làm bay hơi chất điện phân xung quanh, biến thành khí CO2 trộn với các dung môi rất dễ bay hơi khác. Nó cũng làm nóng hỗn hợp khí này, và nếu hỗn hợp đạt đến điểm chớp cháy, chúng sẽ bốc cháy! Nhiệt từ ngọn lửa làm bốc hơi nhiều chất điện phân hơn, hình thành nhiều khí nóng hơn, tạo ra phản ứng dây chuyền được gọi là quá trình thoát nhiệt. Bùm! Cháy pin.
Như trong thí nghiệm của nhóm IFIXT dưới đây, khi các kỹ thuật viên chọc thủng pin iPhone 12 Pro Max đã được sạc đầy, nó ngay lập tức phồng lên và phát sáng như một chiếc bánh sừng bò bằng kim loại nóng hổi. Khói và khí ga tỏa ra hai bên, hơi bốc cháy nhanh chóng:
Khi quá trình thoát nhiệt bắt đầu, rất khó để ngăn cản được. Giống như than nóng trắng, bạn phải làm nguội phản ứng đến điểm mà chất điện phân bản thân nó không còn tự tạo ra nhiên liệu và nhiệt. Phương pháp xử lý phổ biến đối với các vụ cháy pin lithium-ion là dội một lượng lớn nước vào pin hoặc đợi pin cháy hết.
Hai viên pin đều bị đâm bởi vật có đầu nhọn, một viên phồng lên, biến dạng hoàn toàn và nổ, viên còn lại vẫn bình thường
Dù việc chọc thủng viên pin còn dưới 25% vẫn có khả năng tạo ra tia lửa và khói, cũng trở nên rất nóng, nhưng lại không thể bắt lửa và chuyển sang chế độ tản nhiệt.
Nhóm thí nghiệm iFixit cũng đã tự kiểm chứng giả thuyết trên bằng cách chọc một viên pin iPhone 12 Pro Max có thời lượng pin còn lại khoảng 25% nhiều lần. Dù pin trở nên nóng hơn (~120°C), đồng thời bắn ra một ít khói và tia lửa, nhưng phản ứng chỉ dừng lại tại đó.
Ngoài ra, khi bạn muốn tháo rời điện thoại để sửa chữa, luôn nhớ xả pin dưới mức 25%. Điều này làm giảm nguy cơ xảy ra sự cố nhiệt gây cháy nổ nếu pin vô tình bị hỏng. Lưu ý rằng việc xả pin để đảm bảo an toàn chỉ hoạt động với dòng pin li-po cỡ nhỏ (như pin trong laptop và smartphone).
Máy tính bảng chẳng hạn như 12.9 ” iPad Pro chứa hai viên pin cỡ lớn. Chúng có đủ năng lượng dự trữ để đốt cháy pin ngay cả khi đã được xả xuống dưới 25%. Nếu muốn tháo các loại máy này, bạn phải xả chúng về 0%. Đừng lo lắng, pin sẽ không hỏng nếu bạn chỉ làm cạn kiệt nó trong khoảng thời gian ngắn.
Cũng lưu ý rằng đối với hầu hết các thiết bị hiện đại, pin li-ion không thực sự cạn kiệt khi thiết bị của bạn hiển thị 0%. Khi pin yếu, bo mạch BMS (Hệ thống quản lý pin) sẽ ngắt pin khi pin giảm xuống dưới ngưỡng điện áp - thường là khoảng 3,3 V, tương đương pin vẫn còn khoảng 10-15% năng lượng, giảm nguy cơ bị hỏng vĩnh viễn.
Hai viên li-po trên máy tính bảng
Chỉ cần đảm bảo pin không ở mức 0% trong nhiều tuần liên tục, nếu không pin có thể tự xả chính nó dưới ngưỡng an toàn, bị hư hỏng và phồng đến mức không thể phục hồi.
Nếu pin không phản ứng ngay lập tức, hãy theo dõi pin trong năm phút. Nếu nó không nóng lên sau năm phút, bạn có thể tiếp tục sửa chữa nhưng đừng dùng lại viên pin đó. Ngay cả khi cú đâm không làm thủng túi bên ngoài, pin có thể đã bị hư hỏng cấu trúc bên trong và trở thành một mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn.
Nếu pin nóng lên, hãy đặt nó trên bề mặt chống bắt lửa, đợi một ngày để pin tự xả hết. Sau khi xả hết, pin sẽ trơ và mát khi chạm vào. Tháo và vứt bỏ pin đúng cách. Không tái sử dụng pin.
Nếu pin bắt đầu thoát nhiệt, hãy coi đó là đám cháy loại B (dung môi bốc hơi chủ yếu tiếp nhiên liệu cho đám cháy). Sử dụng các công cụ chống cháy như thìa kim loại để đặt nó vào bề mặt chống bắt lửa như tấm nướng kim loại. Nếu có thể, hãy di chuyển nó đến vị trí an toàn để viên pin tự cháy.
Nếu không thể di chuyển, bạn có thể dập lửa bằng cát, bình chữa cháy, dội một lượng lớn nước vào hoặc đậy nó lại bằng hộp chống cháy. Ngay cả khi bạn dập tắt ngọn lửa, pin sẽ tiếp tục cháy âm ỉ như một cục than nóng. Theo dõi cho đến khi nó nguội hoàn toàn. Sau khi nó trơ, hãy xử lý tàn dư đúng cách.
>>> Cha đẻ pin lithium nói gì về tương lai xe điện và ngành pin?
Nguồn: iFixit
Cấu tạo pin li-po
Về cấu tạo, pin li-po là một tập hợp xếp chồng của nhiều lớp kim loại siêu mỏng, nhựa và bùn hóa học, sau đó cuộn chặt thành một hình chữ nhật phẳng và nhét vào túi giấy bạc. Tiếp theo, túi được đổ đầy chất điện phân làm từ polymer và được dán kín miệng lại để tạo thành một viên pin hoàn chỉnh. Nhiều viên pin nhỏ được kết nối với nhau song song hoặc nối tiếp nhau để tạo ra những viên pin lớn hơn.Có ba lớp chính trong pin li-po: cực âm (+), dải phân cách cách điện và cực dương (-).
Trong đó, cực âm (+) là một tấm nhôm tráng mỏng. Lớp tráng này thể hiện các đặc tính về điện tích, mức phóng điện, công suất và chu kỳ khác nhau của viên pin. Mẫu số chung của tất cả các lớp phủ là lithium, một kim loại có tỷ trọng thấp, là yếu tố chính giúp pin hoạt động.
Dải phân cách cách điện là một tấm bán thấm linh hoạt, có chức năng phân tách lớp cực âm (+) và cực dương (-), đồng thời cho phép các ion lithium đi qua. Không có nó, cực âm và cực dương sẽ chạm vào nhau và gây đoản mạch.
Cực dương (-) là một tấm đồng mỏng được phủ lớp vật liệu carbon, thường là một loại than chì nào đó.
Tất cả 3 thành phần đều được ngâm ngập trong chất điện phân dạng gel, mục đích là để tạo môi trường trung gian để các ion lithium chảy vào. Nếu không có dòng ion, đồng nghĩa cũng sẽ không có năng lượng. Chất điện phân bao gồm hỗn hợp lithium, dung môi và chất phụ gia - lượng chất điện phân ảnh hưởng mạnh đến lượng năng lượng mà pin li-po có thể lưu trữ. Mỗi nhà sản xuất lại có một công thức sản xuất pin khác nhau, và là một bí mật thương mại ảnh hưởng đến tồn vong của công ty đó.
Thành phần gây cháy không phải lithium
Khi pin li-po bắt lửa, không phải thành phần lithium của pin chạm vào không khí/độ ẩm làm cháy pin. Loại pin li-on sạc lại vốn có một lượng rất nhỏ lithium kim loại - không đủ để cung cấp "oomph" cần thiết để đánh lửa (khác với dòng pin lithium sơ cấp không thể sạc lại vốn chứa khá nhiều lithium kim loại, do đó có thể bốc cháy khi tiếp xúc với hơi ẩm). Thủ phạm thực sự chính là các dung môi trong chất điện phân, chúng là mồi lửa tuyệt vời cho các đám cháy.Thông thường, chất điện phân được cách ly an toàn khỏi những thứ có thể biến nó thành mồi lửa. Tuy nhiên, đôi khi những dụng cụ sửa chữa (thường có đầu nhọn) có thể xuyên thủ lớp áo giáp đó.
Video thử nghiệm của nhóm iFixit
Khi bạn chọc thủng pin li-po, đồng nghĩa bạn đang chọc thủng các lớp cách điện và gây ra hiện tượng đoản mạch cục bộ. Tất cả năng lượng điện được lưu trữ trong pin cần phải chạy qua điểm cách điện này, và dòng điện sản sinh sẽ làm nóng điểm này lên cực đại, đây cũng là nguyên lý hoạt động của bật lửa trên trên ôtô.
Điểm nóng trên sẽ làm bay hơi chất điện phân xung quanh, biến thành khí CO2 trộn với các dung môi rất dễ bay hơi khác. Nó cũng làm nóng hỗn hợp khí này, và nếu hỗn hợp đạt đến điểm chớp cháy, chúng sẽ bốc cháy! Nhiệt từ ngọn lửa làm bốc hơi nhiều chất điện phân hơn, hình thành nhiều khí nóng hơn, tạo ra phản ứng dây chuyền được gọi là quá trình thoát nhiệt. Bùm! Cháy pin.
Như trong thí nghiệm của nhóm IFIXT dưới đây, khi các kỹ thuật viên chọc thủng pin iPhone 12 Pro Max đã được sạc đầy, nó ngay lập tức phồng lên và phát sáng như một chiếc bánh sừng bò bằng kim loại nóng hổi. Khói và khí ga tỏa ra hai bên, hơi bốc cháy nhanh chóng:
Khi quá trình thoát nhiệt bắt đầu, rất khó để ngăn cản được. Giống như than nóng trắng, bạn phải làm nguội phản ứng đến điểm mà chất điện phân bản thân nó không còn tự tạo ra nhiên liệu và nhiệt. Phương pháp xử lý phổ biến đối với các vụ cháy pin lithium-ion là dội một lượng lớn nước vào pin hoặc đợi pin cháy hết.
25% hoặc nổ
Vì rất khó để dập tắt đám cháy pin li-po nên điều quan trọng là nên có biện pháp ngăn chặn nguy cơ xảy ra ngay từ đầu. Và hóa ra điều đó khá dễ dàng, bạn phải luôn để mức pin tụt xuống còn 25% hoặc ít hơn. Nếu không có thế năng dự trữ, pin sẽ khó tạo ra nhiệt cần thiết cho quá trình đốt cháy chất điện phân, ngay cả khi xảy ra đoản mạch.
Dù việc chọc thủng viên pin còn dưới 25% vẫn có khả năng tạo ra tia lửa và khói, cũng trở nên rất nóng, nhưng lại không thể bắt lửa và chuyển sang chế độ tản nhiệt.
Nhóm thí nghiệm iFixit cũng đã tự kiểm chứng giả thuyết trên bằng cách chọc một viên pin iPhone 12 Pro Max có thời lượng pin còn lại khoảng 25% nhiều lần. Dù pin trở nên nóng hơn (~120°C), đồng thời bắn ra một ít khói và tia lửa, nhưng phản ứng chỉ dừng lại tại đó.
Ngoài ra, khi bạn muốn tháo rời điện thoại để sửa chữa, luôn nhớ xả pin dưới mức 25%. Điều này làm giảm nguy cơ xảy ra sự cố nhiệt gây cháy nổ nếu pin vô tình bị hỏng. Lưu ý rằng việc xả pin để đảm bảo an toàn chỉ hoạt động với dòng pin li-po cỡ nhỏ (như pin trong laptop và smartphone).
Máy tính bảng chẳng hạn như 12.9 ” iPad Pro chứa hai viên pin cỡ lớn. Chúng có đủ năng lượng dự trữ để đốt cháy pin ngay cả khi đã được xả xuống dưới 25%. Nếu muốn tháo các loại máy này, bạn phải xả chúng về 0%. Đừng lo lắng, pin sẽ không hỏng nếu bạn chỉ làm cạn kiệt nó trong khoảng thời gian ngắn.
Cũng lưu ý rằng đối với hầu hết các thiết bị hiện đại, pin li-ion không thực sự cạn kiệt khi thiết bị của bạn hiển thị 0%. Khi pin yếu, bo mạch BMS (Hệ thống quản lý pin) sẽ ngắt pin khi pin giảm xuống dưới ngưỡng điện áp - thường là khoảng 3,3 V, tương đương pin vẫn còn khoảng 10-15% năng lượng, giảm nguy cơ bị hỏng vĩnh viễn.
Chỉ cần đảm bảo pin không ở mức 0% trong nhiều tuần liên tục, nếu không pin có thể tự xả chính nó dưới ngưỡng an toàn, bị hư hỏng và phồng đến mức không thể phục hồi.
Đối phó với một viên pin bị thủng
Nếu bạn làm thủng pin li-po trong khi sửa chữa, đừng hoảng sợ! Pin bị thủng hiếm khi phát nổ, nhưng nó có thể thải ra khí siêu nóng và bắn ra các mảnh kim loại nóng, dẫn đến nguy cơ bị bỏng nặng. Hít phải khói và dung môi không tốt cho sức khỏe nhưng hiếm khi gây tử vong.Nếu pin không phản ứng ngay lập tức, hãy theo dõi pin trong năm phút. Nếu nó không nóng lên sau năm phút, bạn có thể tiếp tục sửa chữa nhưng đừng dùng lại viên pin đó. Ngay cả khi cú đâm không làm thủng túi bên ngoài, pin có thể đã bị hư hỏng cấu trúc bên trong và trở thành một mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn.
Nếu pin bắt đầu thoát nhiệt, hãy coi đó là đám cháy loại B (dung môi bốc hơi chủ yếu tiếp nhiên liệu cho đám cháy). Sử dụng các công cụ chống cháy như thìa kim loại để đặt nó vào bề mặt chống bắt lửa như tấm nướng kim loại. Nếu có thể, hãy di chuyển nó đến vị trí an toàn để viên pin tự cháy.
Nếu không thể di chuyển, bạn có thể dập lửa bằng cát, bình chữa cháy, dội một lượng lớn nước vào hoặc đậy nó lại bằng hộp chống cháy. Ngay cả khi bạn dập tắt ngọn lửa, pin sẽ tiếp tục cháy âm ỉ như một cục than nóng. Theo dõi cho đến khi nó nguội hoàn toàn. Sau khi nó trơ, hãy xử lý tàn dư đúng cách.
>>> Cha đẻ pin lithium nói gì về tương lai xe điện và ngành pin?
Nguồn: iFixit
