Việc các thiết bị điện tử sử dụng pin, như điện thoại di động, nóng lên trong quá trình sử dụng hoặc sạc là hiện tượng quen thuộc và thường không gây lo ngại. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, sự gia tăng nhiệt độ này có thể dẫn đến những sự cố nghiêm trọng hơn như cháy hoặc thậm chí là nổ. Điều gì đứng sau những hiện tượng này?

Trong bài viết này, ban biên tập technologyMAG sẽ phân tích hiện tượng thermal runaway – cơ chế cốt lõi gây ra các sự cố liên quan đến pin, cùng những nguyên nhân và yếu tố làm gia tăng rủi ro.

Hiện tượng Thermal Runaway là gì?
Thermal runaway (quá nhiệt mất kiểm soát) là hiện tượng khi nhiệt độ bên trong cell pin tăng đến mức hệ thống mất cân bằng nhiệt, tức là tốc độ sinh nhiệt vượt quá khả năng tản nhiệt. Khi đó, các phản ứng hóa học tỏa nhiệt bên trong cell bắt đầu tự khuếch đại theo cơ chế phản hồi dương (positive feedback) (1), khiến nhiệt độ tăng nhanh và không thể kiểm soát.
(1) Positive feedback (cơ chế phản hồi dương) là hiện tượng trong đó một thay đổi ban đầu của hệ thống sẽ tạo ra các tác động làm khuếch đại chính thay đổi đó, thay vì kìm hãm nó. Nói cách khác, đầu ra của quá trình quay trở lại làm tăng cường đầu vào, tạo thành một vòng lặp tự gia tăng.

Quá trình này có thể dẫn đến phồng cell, giải phóng khí dễ cháy, và trong các trường hợp nghiêm trọng có thể gây cháy hoặc phát nổ.

Đây không phải chỉ là lỗi do pin kém chất lượng, mà là rủi ro nội tại của pin lithium-ion, đặc biệt trong các hệ pin có mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên, chất lượng cell, thiết kế hệ thống và cơ chế quản lý pin có vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu nguy cơ này.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F. 

Nguyên nhân dẫn đến thermal runaway
Thermal runaway không phải là một hiện tượng tự phát, mà thường được kích hoạt bởi các tác động liên quan đến nhiệt, điện hoặc cơ học. Một số nguyên nhân có thể dẫn đến thermal runaway thường là:

Quá nhiệt trong quá trình sử dụng: Khi sạc nhanh, xả dòng cao hoặc vận hành trong môi trường nhiệt độ cao, nhiệt độ của cell có thể tăng nhanh. Khi đạt đến một ngưỡng nhất định, các phản ứng phân hủy ban đầu như sự suy thoái lớp SEI (2) bắt đầu xảy ra, tạo tiền đề cho quá trình mất ổn định nhiệt.
(2) Lớp SEI (Solid Electrolyte Interphase) là một màng mỏng hình thành tự nhiên trên bề mặt cực âm của pin lithium-ion trong những chu kỳ sạc đầu tiên, do phản ứng giữa chất điện phân và vật liệu điện cực. Lớp này đóng vai trò như một “lớp bảo vệ” cho pin, cho phép ion lithium di chuyển qua lại nhưng ngăn electron tiếp xúc trực tiếp với electrolyte, từ đó hạn chế các phản ứng phụ tiếp diễn. Nhờ có SEI, pin có thể hoạt động ổn định và duy trì hiệu suất trong thời gian dài.

Lỗi điện – quá sạc, quá xả hoặc quá dòng: Pin lithium-ion rất nhạy với điện áp vượt ngưỡng. Sạc quá mức có thể kích hoạt các phản ứng sinh nhiệt mạnh và gây mất ổn định nhanh chóng. Trong khi đó, xả quá sâu có thể làm suy giảm cấu trúc điện cực và dẫn đến các hư hỏng nội tại, làm tăng nguy cơ đoản mạch trong các chu kỳ vận hành tiếp theo. Trong các hệ thống lớn như xe điện hoặc BESS, sự lệch áp giữa các cell cũng có thể gây quá tải cục bộ.

Lỗi cơ học và tác động vật lý: Các tác động như rơi, va đập mạnh, đâm xuyên hoặc rung động kéo dài có thể làm hỏng lớp màng ngăn bên trong cell. Khi màng ngăn bị phá hủy, hai điện cực có thể tiếp xúc trực tiếp, gây ra hiện tượng đoản mạch nội bộ và làm nhiệt độ tăng đột ngột.

Lỗi từ nhà sản xuất hoặc sự lão hóa tự nhiên: Theo thời gian, lớp bảo vệ SEI trở nên kém ổn định và dễ phân hủy khi nhiệt độ tăng. Đồng thời, các lỗi sản xuất như bụi kim loại, lệch lớp vật liệu hoặc các khuyết tật vi mô cũng có thể tạo ra các điểm yếu tiềm ẩn, làm tăng nguy cơ xảy ra thermal runaway.

Trong thực tế, các yếu tố này thường không xuất hiện riêng lẻ mà kết hợp với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích tụ nhiệt và kích hoạt chuỗi phản ứng mất kiểm soát.

Thermal runaway diễn ra như thế nào?
Thermal runaway trong pin lithium-ion là một quá trình mất ổn định nhiệt diễn ra theo chuỗi các phản ứng liên tiếp bên trong cell. Quá trình này thường bắt đầu từ một tác động ban đầu làm nhiệt độ tăng lên, sau đó phát triển theo cơ chế phản hồi dương, khiến nhiệt độ tăng nhanh và vượt khỏi khả năng kiểm soát.

Ở giai đoạn đầu, khi nhiệt độ cell tăng đến khoảng 80–120°C, lớp bảo vệ SEI trên bề mặt điện cực bắt đầu phân hủy. Quá trình này sinh nhiệt và làm lộ ra các vật liệu hoạt tính bên trong, khiến cell trở nên kém ổn định hơn về mặt hóa học.

Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên khoảng 120–200°C, chất điện phân bắt đầu phân hủy và bay hơi, đồng thời các phản ứng giữa điện cực và điện phân trở nên mạnh hơn. Các phản ứng này đều là phản ứng tỏa nhiệt, làm gia tăng nhiệt độ và áp suất bên trong cell.

Ở mức nhiệt cao hơn, thường trên 200°C, lớp màng ngăn (separator) có thể bị co lại hoặc nóng chảy, dẫn đến hiện tượng đoản mạch nội bộ giữa hai điện cực. Điều này làm dòng điện tăng đột ngột, sinh ra lượng nhiệt lớn trong thời gian rất ngắn.

Cuối cùng, khi nhiệt độ và áp suất vượt ngưỡng chịu đựng của cell, khí dễ cháy được giải phóng ra ngoài. Nếu gặp nguồn kích hoạt, quá trình cháy có thể xảy ra, thậm chí dẫn đến phát nổ. 

Một điểm đặc biệt nguy hiểm của thermal runaway là khả năng lan truyền nhiệt giữa các cell. Nhiệt lượng lớn sinh ra từ một cell có thể truyền sang các cell lân cận, làm chúng cũng vượt ngưỡng ổn định và kích hoạt phản ứng tương tự. Quá trình này, gọi là lan truyền nhiệt (thermal propagation), có thể khiến sự cố lan rộng từ một cell đơn lẻ sang toàn bộ module hoặc pack pin.

Dấu hiệu sớm nhận biết nguy cơ thermal runaway
Người dùng phổ thông có thể nhận biết sớm một số dấu hiệu cảnh báo nguy cơ thermal runaway thông qua các biểu hiện bất thường trong quá trình sử dụng:
– Thiết bị nóng bất thường so với điều kiện sử dụng thông thường.
– Pin bị phồng hoặc mặt lưng thiết bị có dấu hiệu biến dạng.
– Xuất hiện mùi khét hoặc mùi hóa chất lạ, tương tự dung môi.
– Thời gian sạc bất thường hoặc dung lượng pin suy giảm nhanh không rõ nguyên nhân.
– Có tiếng xì nhẹ hoặc âm thanh bất thường trong quá trình sạc hoặc xả.

Những yếu tố làm tăng rủi ro xảy ra thermal runaway
Có nhiều yếu tố từ môi trường vận hành, thói quen sử dụng đến thiết kế hệ thống có thể làm gia tăng đáng kể nguy cơ xảy ra thermal runaway trong pin lithium-ion, và điểm chung của chúng là đều góp phần làm tăng nhiệt độ, tạo điểm nóng cục bộ hoặc làm suy yếu cấu trúc bên trong cell.

Sử dụng thiết bị trong môi trường nhiệt độ cao là một trong những tác nhân quan trọng nhất. Khi thiết bị bị đặt trong không gian kín dưới ánh nắng, như trong khoang ô tô, hoặc vận hành liên tục trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao, khả năng tản nhiệt của cell bị suy giảm đáng kể. Khi đó, nhiệt tích tụ nhanh hơn so với khả năng thoát ra ngoài, khiến cell tiến gần đến ngưỡng mất ổn định nhiệt. Ngoài ra, các tác vụ tiêu thụ điện lớn như sạc nhanh hoặc xả dòng cao trong môi trường nóng càng làm gia tăng tốc độ sinh nhiệt, đẩy nhanh quá trình suy thoái nội tại.

Bên cạnh yếu tố nhiệt, việc sử dụng pin hoặc bộ sạc không đạt chuẩn cũng là một rủi ro lớn. Các thiết bị kém chất lượng thường không được trang bị đầy đủ các cơ chế bảo vệ như giới hạn điện áp, kiểm soát dòng hoặc giám sát nhiệt độ. Điều này có thể dẫn đến tình trạng quá sạc, quá dòng hoặc dao động điện áp bất thường, làm phá vỡ sự ổn định của hệ hóa học bên trong cell và kích hoạt các phản ứng sinh nhiệt không mong muốn. Trong nhiều trường hợp, rủi ro không đến từ pin mà đến từ bộ sạc không tương thích hoặc không được thiết kế đúng tiêu chuẩn.

Các hư hỏng vật lý cũng là một yếu tố quan trọng làm tăng nguy cơ xảy ra thermal runaway. Khi cell bị móp, cong, đâm xuyên hoặc chịu rung động kéo dài, cấu trúc bên trong có thể bị biến dạng, đặc biệt là lớp màng ngăn (separator). Nếu lớp màng này bị suy yếu hoặc rách, hai điện cực có thể tiếp xúc trực tiếp với nhau, gây ra đoản mạch nội bộ. Hiện tượng này thường dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ rất nhanh tại một điểm cục bộ, từ đó kích hoạt chuỗi phản ứng mất kiểm soát.

Thermal runaway trong thực tế
Trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, thermal runaway không chỉ ảnh hưởng một cell mà có thể lan thành một chuỗi phản ứng trong toàn bộ pack pin.

Pack pin xe điện bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn cell, được đóng gói rất chặt. Khi một cell xảy ra hiện tượng thermal runaway, nhiệt tỏa ra rất lớn và dễ lan sang cell bên cạnh. Vì vậy, các hãng xe triển khai nhiều lớp bảo vệ: module cách nhiệt, vỏ chống cháy, cảm biến nhiệt đa điểm, làm mát bằng chất lỏng. Hệ thống pin xe điện phải đảm bảo được các tiêu chuẩn (như UN 38.3, UL 2580 và ISO 6469) giúp pin chịu được rung lắc, va đập và chập điện.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin thường hoạt động ở quy mô MW, sử dụng hàng nghìn cell trong nhiều module và rack. Thermal runaway trong BESS được xem là rủi ro mang tính hệ thống: chỉ cần một cell kích hoạt, nhiệt có thể lan theo cấp độ từ cell đến module đến rack pin, sau cùng là container. Vì vậy, BESS phải vượt qua thử nghiệm UL 9540/9540A, sử dụng vật liệu ổn định nhiệt như LFP, bổ sung tấm cách nhiệt, hệ thống chữa cháy khí trơ và BMS phân cấp để ngăn ngừa nguy cơ thermal runaway. Bên cạnh các giải pháp vật lý, hệ thống quản lý pin (BMS) đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của từng cell, từ đó phát hiện sớm các bất thường và ngắt hệ thống khi cần thiết nhằm ngăn chặn thermal runaway.

Kết luận
Thermal runaway không phải là một rủi ro ngẫu nhiên hay khó kiểm soát, mà là một hiện tượng đã được nghiên cứu sâu và có thể quản lý hiệu quả thông qua thiết kế cell, hệ thống giám sát và các tiêu chuẩn an toàn. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp chuyển từ cách tiếp cận bị động sang chủ động trong việc phòng ngừa và kiểm soát rủi ro.

Việc hiểu thermal runaway không nhằm tạo lo lắng, mà để người dùng và doanh nghiệp tiếp cận công nghệ một cách có trách nhiệm, đặc biệt trong bối cảnh xe điện, lưu trữ năng lượng và thiết bị di động ngày càng phổ biến.

Tiếp tục khám phá chuyên đề BESS & Pin trên trang technologyMAG
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng, từ điện mặt trời, điện gió cho đến các ứng dụng công nghiệp và lưới điện hiện đại. Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực bao gồm nhiều khái niệm, công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cần được tìm hiểu theo từng bước.

Để giúp độc giả thuận tiện tra cứu và theo dõi toàn bộ chuỗi nội dung, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng Trang tổng hợp chuyên đề BESS & Pin, bao gồm các nhóm bài viết về tổng quan công nghệ, cấu tạo hệ thống, pin lưu trữ, tiêu chuẩn kỹ thuật, ứng dụng thực tế và các xu hướng mới trong ngành.

Tìm hiểu thêm chuyên đề BESS & Pin tại đây: www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-bess-pin/

Để xem các tin bài khác về “Thermal runaway”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: UL Research Insitutes