Đảm bảo an toàn phòng cháy, chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ đối với phương tiện giao thông điện sử dụng pin Lithium-ion trên địa bàn huyện

Pin lithium-ion là loại pin để thay thế ắc quy chì đang được sử dụng phổ biến cho các thiết bị điện tử như điện thoại, laptop, trong xe ô tô điện, xe máy điện, máy bay và các thiết bị vệ tinh trên tàu vũ trụ. Với ưu điểm mật độ lưu trữ năng lượng cao, khả năng sạc nhanh, chi phí bảo trì thấp, tuổi thọ cao và giá thành rẻ nên những năm gần đây, nhu cầu sử dụng Pin Lithium-ion đang bùng nổ mạnh mẽ. Tuy nhiên, độ ổn định nhiệt của chúng tương đối kém. Trong trường hợp sự cố có thể gây cháy, nổ. Nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu nguy cơ về cháy nổ trước tình hình pin Lithium-ion đang được ứng dụng rộng rãi đang trở nên cấp bách.

Thành phần chính của pin Lithium-ion gồm cực âm, chất điện phân, bộ phân tách và cực dương. Cực dương lưu trữ các ion Lithium trong quá trình sạc và các ion Lithium di chuyển đến cực âm trong quá trình phóng điện.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Pin Lithium-ion

1. Nguy cơ cháy pin Lithium - ion

Nếu được bảo quản và vận hành trong điều kiện khuyến cáo của nhà sản xuất, tỷ lệ lỗi của pin Lithium-ion được ước tính là 1 trên 40 triệu. Tuy nhiên, trong thực tế các yếu tố như sạc quá mức, ảnh hưởng của nguồn nhiệt từ bên ngoài hoặc các tác động cơ học… làm tăng đáng kể xác suất lỗi này. Mặc dù nhiều giải pháp an toàn khác nhau đã được tích hợp vào các pin Lithium-ion thương mại, nhưng vẫn xảy ra rất nhiều sự cố cháy nổ liên quan đến pin Lithium-ion như:

- Ngày 11/4/2011, xảy ra vụ cháy taxi điện do đoản mạch tại Hàng Châu, Trung Quốc.

- Từ tháng 10 đến tháng 11/2013, 06 xe ôtô điện Tesla Model S bốc cháy do va chạm và pin tự bốc cháy.

- Từ tháng 1/2013 đến tháng 1/2014, 03 vụ cháy Boeing 747, lần lượt xảy ra tại Boston Mỹ, Takamatsu, Tokyo Nhật Bản. Nguyên nhân các vụ cháy là đoản mạch bên trong của của pin Lithium-ion và sự cố của hệ thống quản lý pin.

- Ngày 2/7/2018 xảy ra vụ cháy kèm theo nổ tại hệ thống lưu trữ năng lượng 4MW/12MWh tại Hàn Quốc. Ban đầu 1 pin Lithium ion tự bốc cháy và lan ra tới hơn 3500 pin khác.

Ở Việt Nam trong những năm gần đây cũng xảy ra nhiều vụ cháy nổ thương tâm, điển hình như:

- Ngày 25/09/2020 xảy ra vụ cháy tại Tổ 7, P. Tân Giang, TP Hà Tĩnh do sạc xe máy điện đã thiêu rụi 1 ô tô, 1 xe máy điện và nhiều vận dụng khác.

- Ngày 16/01/2022 xảy ra vụ cháy tại bãi xe tầng trệt, chung cư Masteri Thảo Điền (TP. Hồ Chí Minh), khi đang sạc pin xe máy điện. Được phát hiện kịp thời nên chỉ xe máy điện bị hư hỏng nặng, 1 số xe xung quanh bị cháy xém nhẹ.

- Ngày 13/07/2023 xảy ra vụ cháy nhà 3 tầng tại đường Nguyễn Thị Định, phường Trung Sơn, TP Sầm Sơn, Thanh Hóa khi đang sạc pin cho xe điện 4 bánh làm 2 bà cháu thiệt mạng, xe điện 4 bánh và nhiều vật dụng khác bị cháy rụi.

- NGày 19/07/2023 vụ cháy cửa hàng xe máy điện tại thôn Ngãi Cầu, xã An Khánh, huyện Hoài Đức, Hà Nội làm 3 người chết thương tâm, toàn bộ xe máy điện và vật dụng trong nhà bị cháy rụi, xe ô tô đậu ở ngoài cũng bị hư hỏng.

Một số hình ảnh vụ cháy xe điện

2. Cơ chế và đặc tính cháy của pin Lithium ion

Cơ chế chung của gây cháy 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.

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. Quá trình thoát nhiệt có thể được tóm tắt như hình 5. 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 trong điều kiện có các yêu tố gây tác động 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. Các chất điện phân kèm theo một lượng nhỏ các khí như CO và H2 bay ra hoặc chảy ra ngoài hình 6 cho thấy quá trình đốt cháy các sol khí bay hơi được phun ra từ pin bị kích thích cháy. 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.  

Cơ chế thoát nhiệt và đặc tính cháy của pin Lithium - ion

3. Giải pháp an toàn phòng cháy chữa cháy

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 làm catốt là yếu tố quyết định đến độ bền nhiệt và sự phân phối năng lượng. Ví dụ, sự phân hủy bắt đầu ở khoảng 130°C đối với LCO, ở 240°C đối với NMC, ở 270°C đối với LMO và ở 310°C đối với catốt LFP. Vật liệu làm catốt có thể được sử dụng để cải thiện độ bền nhiệt bằng cách phủ các vật liệu như TiO2, LiNi0,5Co0,5 O2, Al2O3, MgO, LixCoO2; thay thế một số kim loại (ví dụ, niken và nhôm thay thế một phần coban) và pha tạp với các vật liệu như zirconium.

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.

Để hạn chế tối đa việc cháy, nổ của pin lithium-ion, người dân cần lưu ý một số vấn đề sau: Sử dụng pin lithium-ion của các nhà sản xuất uy tín, đáng tin cậy; đảm bảo sạc pin bằng bộ sạc đi kèm với thiết bị, tuân thủ các khuyến nghị của nhà sản xuất; không cho pin tiếp xúc với nước, bảo quản pin trong một khu vực an toàn; tránh để pin ở nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao. Đặc biệt, tránh ánh nắng trực tiếp của mặt trời; Khi phát hiện thấy bất kỳ dấu hiệu bất thường nào, phải ngưng sử dụng, tháo nguồn, đặt pin tránh xa các vật dụng dễ bắt lửa và mang đến trung tâm bảo hành để kiểm tra.