Chạy trốn nhiệt là gì?

Sự thoát nhiệt là một quá trình tự làm nóng,-không thể kiểm soát trong pin lithium-ion, trong đó nhiệt độ bên trong tăng nhanh hơn mức có thể tiêu tan, gây ra các phản ứng hóa học tạo ra nhiệt bổ sung trong một vòng phản hồi nguy hiểm. Hiện tượng này có thể dẫn đến cháy, nổ pin và giải phóng khí độc.

Sự thoát nhiệt phát triển như thế nào trong tế bào pin

Quá trình bắt đầu khi tế bào pin gặp áp lực do lỗi bên trong hoặc các yếu tố bên ngoài. Bên trong tế bào ion lithium{1}}, các phản ứng điện hóa thường tạo ra một lượng nhiệt nhỏ có thể quản lý được trong quá trình sạc và xả. Khi có thứ gì đó phá vỡ sự cân bằng này,-lỗi sản xuất, hư hỏng vật lý hoặc lạm dụng điện-việc sinh nhiệt sẽ tăng tốc vượt quá khả năng làm mát của tế bào.

Sự leo thang nhiệt độ diễn ra theo một tiến trình có thể dự đoán được qua ba giai đoạn quan trọng. Trong giai đoạn tự làm nóng-ban đầu, nhiệt độ tăng từ khoảng 50 độ lên 140 độ khi lớp chất điện phân rắn xen kẽ (SEI) bắt đầu phân hủy. Bộ phân tách, một màng mỏng giữ cực dương và cực âm, bắt đầu mất tính toàn vẹn về cấu trúc.

Khi nhiệt độ bên trong vượt quá 140 độ, giai đoạn chạy trốn sẽ tăng tốc đáng kể. Dải phân cách tan chảy, cho phép tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực. Điều này tạo ra các mạch ngắn bên trong làm tăng tốc độ sinh nhiệt lên trên 20 độ mỗi phút. Vật liệu catốt giải phóng oxy trong khi chất điện phân bị phân hủy, tạo ra các loại khí dễ cháy bao gồm metan và etan. Nhiệt độ cao nhất có thể vượt quá 850 độ -đủ nóng để đốt cháy các vật liệu xung quanh ngay lập tức.

Giai đoạn kết thúc cuối cùng xảy ra khi các chất phản ứng được tiêu thụ hoặc thông hơi giải phóng áp suất. Đến thời điểm này, tế bào thường vỡ vỏ và thải ra hỗn hợp khí độc, hạt kim loại và mảnh vụn bốc cháy. Nhiệt tỏa ra từ một tế bào bị hỏng có thể kích hoạt các tế bào lân cận, khiến sự thoát nhiệt lan truyền qua toàn bộ bộ pin trong vòng vài phút.

Nghiên cứu được công bố tạiBáo cáo khoa họcvào năm 2025 đã ghi lại cách một tế bào gặp sự cố thoát nhiệt trong bộ pin 3 × 3 xuống cấp hoàn toàn trong vòng 5,4 phút, với đợt nhiệt phá hủy tất cả chín tế bào chỉ trong 6,16 phút.

Nguyên nhân chính và cơ chế kích hoạt

Nhiều yếu tố có thể gây ra hiện tượng thoát nhiệt, thường phối hợp với nhau để đẩy pin vượt quá ngưỡng an toàn.

Ngắn mạch bên trong

Khiếm khuyết trong sản xuất tạo ra rủi ro nguy hiểm nhất. Các tạp chất kim loại cực nhỏ, điện cực bị lệch hoặc các khiếm khuyết ở dải phân cách có thể gây ra đoản mạch bên trong nhiều năm sau khi sản xuất. Khi pin già đi sau các chu kỳ sạc lặp đi lặp lại, các sợi nhánh-kim-như cặn lithium-sẽ phát triển từ cực dương. Những cấu trúc này cuối cùng xuyên qua dải phân cách, tạo ra đường dẫn điện trực tiếp giữa các điện cực.

Vụ thu hồi Li Auto năm 2024 ảnh hưởng đến 11.411 xe điện xuất phát từ việc bảo vệ chống ăn mòn chất làm mát không đủ dẫn đến lỗi hệ thống làm mát. Điều kiện quá nhiệt dẫn đến tạo ra rủi ro thoát nhiệt khiến phải hành động ngay lập tức sau sự cố hỏa hoạn ở Thượng Hải.

Lạm dụng điện

Sạc quá mức vẫn là nguyên nhân hàng đầu gây ra hiện tượng thoát nhiệt. Khi điện áp sạc vượt quá ngưỡng tối đa của tế bào-thường là khoảng 4,2V đối với tế bào ion lithium-tiêu chuẩn-, tấm ion lithium dư thừa sẽ xuất hiện trên bề mặt cực dương thay vì xen kẽ đúng cách. Lớp mạ lithium này trở nên không ổn định ở nhiệt độ cao.

Sạc nhanh gây ra vấn đề. Dòng điện chạy nhanh tạo ra nhiệt quá mức thông qua điện trở trong, đặc biệt là ở các tế bào cũ hoặc đã xuống cấp. Dữ liệu từ các chương trình an toàn hàng không cho thấy các thiết bị-thuốc lá điện tử và bộ sạc di động-thường xuyên được sạc không đúng cách-gây ra 51% sự cố về pin lithium-ion trên máy bay vào năm 2024.

Thiệt hại cơ học

Tác động vật lý gây nguy hiểm ngay lập tức. Làm rơi pin, va chạm xe cộ hoặc bị vật lạ đâm thủng có thể nén các lớp bên trong, làm thủng dải phân cách. Tai nạn xe đạp điện gây ra rủi ro đặc biệt vì người lái có thể không nhận ra hư hỏng ắc quy do va chạm. Pin lithium dành cho xe đạp điện tử 48V-chứa năng lượng dự trữ đáng kể-gần tương đương với việc sạc 32 điện thoại thông minh-sẽ bị giải phóng một cách nghiêm trọng nếu tính toàn vẹn của cấu trúc không thành công.

Căng thẳng nhiệt

Tiếp xúc với nhiệt bên ngoài làm tăng tốc độ xuống cấp. Pin lithium{1}}ion trở nên dễ bị tổn thương khi nhiệt độ thoát ra trên 80 độ (176 độ F), mặc dù ngưỡng chính xác thay đổi tùy theo hóa học. Để thiết bị trong xe đang nóng, đặt pin gần nguồn nhiệt hoặc thiết kế hệ thống làm mát không phù hợp có thể đẩy pin đến phạm vi nhiệt độ tới hạn.

Dấu hiệu cảnh báo và phát hiện sớm

Việc nhận biết các điều kiện-có thể xảy ra trước sẽ giúp can thiệp trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.

Hệ thống quản lý pin giám sát sự bất thường về điện áp, giảm công suất đột ngột và tăng nhiệt độ. Các hệ thống hiện đại theo dõi nhiệt độ của từng tế bào bằng cảm biến chính xác, ngắt kết nối nguồn khi số đọc vượt quá thông số an toàn. Tuy nhiên, chỉ riêng việc giám sát nhiệt độ bên ngoài đã chứng minh rằng-nhiệt độ bên trong không đủ có thể vượt quá số đo bề mặt từ 13 đến 17 độ khi hoạt động bình thường.

Các chỉ số vật lý cung cấp các cảnh báo rõ ràng. Sự sưng tấy hoặc "phồng" báo hiệu sự sinh ra khí từ quá trình phân hủy bên trong. Bất kỳ biến dạng nào có nghĩa là phản ứng hóa học đã bắt đầu. Mùi bất thường giống như trứng thối hoặc hóa chất ngọt cho thấy chất điện phân bị phân hủy và thoát hơi.

Những thay đổi về hiệu suất cho thấy sức khỏe ngày càng xấu đi. Tự xả nhanh-, thời gian chạy ngắn hoặc nhiệt độ quá nóng trong khi sạc cho thấy có hư hỏng bên trong. Các thiết bị yêu cầu sạc thường xuyên hơn bình thường có thể khiến các tế bào bị tổn hại sắp đạt đến ngưỡng lỗi.

Công nghệ phát hiện khí mang lại khả năng cảnh báo sớm đầy hứa hẹn. Sự thoát nhiệt tạo ra các loại khí đặc biệt-chủ yếu là CO, CO2 và hydro-trước khi ngọn lửa xuất hiện. Các cảm biến giám sát lượng khí thải này trong vỏ pin có thể kích hoạt cảnh báo vài phút trước khi khói hoặc lửa phát ra.

Số liệu thống kê và tác động thực tế trên thế giới-

Tần suất và mức độ nghiêm trọng của các sự cố thoát nhiệt ngày càng tăng cùng với việc sử dụng pin lithium{0}}ion.

Dữ liệu an toàn hàng không cho thấy xu hướng đáng lo ngại Chương trình Sự cố thoát nhiệt theo Tiêu chuẩn UL và Tham gia đã theo dõi các sự cố thoát nhiệt trên các chuyến bay chở khách và hàng hóa, báo cáo trung bình hai sự cố mỗi tuần trong suốt năm 2024. Mặc dù điều này chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong số 180.000 chuyến bay hàng tuần trong không phận Hoa Kỳ, nhưng 18% sự cố đã buộc phải chuyển hướng hạ cánh, sơ tán khẩn cấp hoặc quay trở lại cổng.

Cháy xe đạp điện và xe tay ga điện- đặt ra những thách thức về an toàn đô thị. Thành phố New York ghi nhận 13 trường hợp tử vong do cháy pin lithium{4}}ion vào năm 2023-, cao hơn gấp đôi so với năm trước. Dữ liệu điều tra hỏa hoạn cho thấy hầu hết các sự cố đều liên quan đến pin giá rẻ không có chứng nhận an toàn phù hợp. Vương quốc Anh đã báo cáo ít nhất 10 trường hợp tử vong và gần 200 vụ cháy do pin xe đạp điện vào năm 2023, đưa ra các hướng dẫn an toàn theo luật định mới.

Xe điện cho thấy số liệu thống kê đáng khích lệ một cách nghịch lý Bất chấp sự chú ý của giới truyền thông về các vụ cháy xe điện, dữ liệu từ Cơ quan Dự phòng Dân sự Thụy Điển theo dõi 611.000 xe điện cho thấy tỷ lệ sự cố chỉ 0,004% so với 0,08% đối với xe chạy xăng. Xe điện gặp phải khoảng 25 vụ cháy trên 100.000 xe so với 1.530 vụ đối với ô tô thông thường{11}}khiến chúng an toàn hơn theo thống kê từ 20-61 lần.

Sự khác biệt quan trọng nằm ở chất lượng sản xuất và{0}}các biện pháp bảo vệ tích hợp. Các nhà sản xuất ô tô triển khai các hệ thống quản lý nhiệt rộng rãi, khoảng cách giữa các ô và hệ thống quản lý pin phức tạp. Ngược lại, pin xe đạp điện-chi phí thấp và thiết bị điện tử cầm tay thường hy sinh các tính năng an toàn để giảm giá.

Chiến lược phòng ngừa và hệ thống an toàn

Ngăn chặn sự thoát nhiệt đòi hỏi phải có các biện pháp bảo vệ theo lớp nhằm giải quyết vấn đề thiết kế, vận hành và bảo trì.

Hệ thống quản lý pin tiên tiến

Công nghệ BMS hiện đại cung cấp tuyến phòng thủ đầu tiên. Các hệ thống này liên tục theo dõi điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái điện tích trên từng tế bào. Khi các thông số vượt ra ngoài phạm vi an toàn, BMS có thể giảm tốc độ sạc, ngắt kết nối nguồn hoặc kích hoạt hệ thống làm mát.

Thuật toán-tình trạng{1}}dự đoán lỗi tiềm ẩn bằng cách phân tích mô hình suy thoái. Các mô hình máy học được huấn luyện dựa trên hàng nghìn chu kỳ sạc sẽ phát hiện những điểm bất thường mà việc giám sát dựa trên ngưỡng-không thể nhận thấy. Một số hệ thống ước tính nhiệt độ bên trong tế bào bằng phương pháp quang phổ trở kháng điện hóa, cho phép can thiệp sớm hơn so với chỉ sử dụng cảm biến bề mặt.

Hệ thống quản lý nhiệt

Làm mát tích cực ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt độ trong các hoạt động đòi hỏi khắt khe. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng tuần hoàn chất làm mát thông qua các kênh được tích hợp vào bộ pin, duy trì phạm vi nhiệt độ tối ưu ngay cả khi sạc nhanh hoặc xả điện ở mức cao. Vật liệu thay đổi pha hấp thụ nhiệt thông qua ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp, cung cấp khả năng đệm nhiệt thụ động.

Khoảng cách tế bào và rào cản nhiệt hạn chế sự lan truyền giữa các tế bào. Vật liệu phồng lên nở ra khi bị nung nóng, tạo ra bọt cách nhiệt làm chậm quá trình truyền nhiệt. Một số thiết kế kết hợp các bộ tản nhiệt và kênh thông gió giúp dẫn khí nóng ra khỏi các ô lân cận.

Đổi mới vật chất

Những cải tiến về hóa học của pin giúp tăng cường độ ổn định vốn có. Cực âm lithium sắt photphat (LFP) chống thoát nhiệt tốt hơn công thức niken-mangan-coban (NMC), chịu được nhiệt độ trên 200 độ trước khi phân hủy. Pin trạng thái rắn-thay thế chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn có thể loại bỏ hoàn toàn khả năng cháy.

Công nghệ phân tách tiếp tục phát triển. Bộ tách-được phủ gốm duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc ở nhiệt độ cao hơn. Lớp phủ an toàn tự liên kết ngang được áp dụng cho các điện cực hợp nhất thành màng không thấm nước ở góc 80 độ, ngăn chặn dòng ion trong một phần nghìn giây khi bắt đầu quá nhiệt.

Kiểm soát chất lượng và tiêu chuẩn

Quy trình sản xuất nghiêm ngặt làm giảm tỷ lệ lỗi. Hệ thống kiểm tra tự động phát hiện các lỗi nhiễm bẩn và căn chỉnh mà con người không nhìn thấy được. Bộ pin đáp ứng tiêu chuẩn UL 2271, UL 2849 hoặc tiêu chuẩn quốc tế tương đương chứng tỏ sự tuân thủ các quy trình kiểm tra an toàn.

Đối với các ứng dụng pin lithium dành cho xe đạp điện tử 48V-, chứng nhận UL trở nên đặc biệt quan trọng do nhu cầu dòng điện cao và khả năng tiếp xúc với rung động mà các hệ thống này gặp phải. Người dùng nên xác minh nhãn hiệu chứng nhận trước khi mua và tránh các lựa chọn không được đánh dấu hoặc rẻ tiền đáng ngờ.

Ứng phó và ngăn chặn khẩn cấp

Khi phòng ngừa thất bại, phản ứng nhanh sẽ hạn chế thiệt hại.

Đám cháy lan tỏa nhiệt đòi hỏi các kỹ thuật dập tắt chuyên dụng. Nước vẫn là tác nhân hiệu quả nhất, nhưng cần một lượng lớn - 3.000 đến 40.000 gallon cho các bộ pin lớn so với 500-1.000 gallon cho các vụ cháy xe thông thường. Mục tiêu là làm mát pin dưới nhiệt độ thoát nhiệt thay vì dập lửa truyền thống, vì các phản ứng hóa học tự tạo ra oxy.

Các sản phẩm ngăn cháy được thiết kế dành riêng cho pin lithium{0}}ion sử dụng vật liệu dễ cháy và hệ thống thông gió. Những thiết bị này cách ly các thiết bị đốt, thu giữ khí độc thông qua quá trình lọc và cung cấp khả năng xử lý an toàn cho đến khi phản ứng hoàn tất. Các quy định hàng không hiện yêu cầu túi ngăn cháy trên máy bay để quản lý các sự kiện thoát nhiệt ở độ cao 40.000 feet, nơi các phương án thông gió và sơ tán bị hạn chế.

Những người ứng cứu đầu tiên ngày càng được đào tạo chuyên sâu về các vụ cháy-ion lithium. Camera chụp ảnh nhiệt phát hiện các điểm nóng cho thấy tế bào sắp hỏng. Vòi phun xuyên qua pin-bơm nước trực tiếp vào bên trong gói hàng nơi việc áp dụng bề mặt tỏ ra không hiệu quả. Tổ chức Lính cứu hỏa Sa ngã Quốc gia hiện đã đưa các chiến thuật chữa cháy bằng xe điện vào chương trình giảng dạy tiêu chuẩn khi những sự cố này trở nên phổ biến hơn.

Mã xây dựng thích ứng với rủi ro lưu trữ. Các quy định mới nêu rõ các yêu cầu về hệ thống thông gió, kết cấu-chống cháy và tích hợp hệ thống ngăn chặn cho các cơ sở lắp đặt pin lớn. Các bãi đỗ xe lắp đặt cơ sở hạ tầng cấp nước nâng cao dành riêng cho các tình huống cháy ắc quy.

Sự phát triển trong tương lai và hướng nghiên cứu

Ngành công nghiệp pin đầu tư mạnh vào việc loại bỏ rủi ro thoát nhiệt.

Pin trạng thái rắn-thế hệ tiếp theo{1}} hứa hẹn những cải tiến mang tính đột phá về an toàn. Bằng cách thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy bằng vật liệu rắn gốm hoặc polyme, những thiết kế này loại bỏ nguồn nhiên liệu chính gây thoát nhiệt. Chất điện phân rắn cũng ngăn ngừa sự hình thành dendrite, giải quyết nguyên nhân chính gây ra đoản mạch bên trong.

Hệ thống cảnh báo sớm tận dụng trí tuệ nhân tạo và mạng cảm biến. Các nhà nghiên cứu phát triển các thuật toán phân tích các mẫu điện áp và nhiệt độ tinh tế xảy ra trước sự thoát nhiệt hàng giờ hoặc hàng ngày. Hệ thống quản lý pin được kết nối với đám mây-tổng hợp dữ liệu trên hàng triệu thiết bị, xác định các dấu hiệu lỗi trước khi người dùng cá nhân nhận ra sự cố.

Việc ngăn chặn sự thoát nhiệt ở mức điện cực cho thấy nhiều hứa hẹn. Bộ tách-tự phục hồi sẽ sửa chữa các vết thủng cực nhỏ trước khi chúng lan truyền thành các mạch ngắn hoàn toàn. Các vật liệu phản ứng-nhiệt độ sẽ tự động tăng điện trở khi tế bào quá nóng, tạo ra phản hồi tự-hạn chế nhằm ngăn chặn sự tăng nhiệt độ.

Các tiêu chuẩn và quy định tiếp tục phát triển. Đạo luật giảm thiểu sự thoát nhiệt của Hoa Kỳ, được ban hành vào năm 2025, bắt buộc phải thử nghiệm tác động đối với pin lithium{4}}ion có tính đến lực lượng tai nạn giao thông và giới hạn trạng thái sạc trong quá trình vận chuyển trên mặt đất ở mức 30%. Pháp luật tương tự đang được xem xét ở châu Âu và châu Á sẽ hài hòa các yêu cầu an toàn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Sự thoát nhiệt bắt đầu ở nhiệt độ nào?

Sự thoát nhiệt thường bắt đầu ở khoảng 80-90 độ khi lớp SEI bắt đầu phân hủy, mặc dù các tế bào vẫn tương đối ổn định cho đến khi nhiệt độ vượt quá 140 độ. Ngưỡng chính xác thay đổi tùy theo thành phần hóa học và thiết kế của pin.

Sự thoát nhiệt có thể dừng lại khi nó bắt đầu không?

Không. Một khi phản ứng dây chuyền-tự duy trì bắt đầu, sự thoát nhiệt không thể dừng lại thông qua sự can thiệp từ bên ngoài. Quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các vật liệu phản ứng được tiêu thụ. Phòng ngừa và phát hiện sớm vẫn là chiến lược hiệu quả duy nhất.

Sự thoát nhiệt mất bao lâu để phát triển?

Dòng thời gian thay đổi đáng kể dựa trên các điều kiện kích hoạt. Các hiện tượng nhanh chóng như xuyên qua móng tay sẽ gây ra sự thoát nhiệt trong vòng vài giây đến vài phút. Sự xuống cấp dần dần do lão hóa hoặc sạc quá mức chậm có thể mất vài giờ hoặc vài ngày trước khi hỏng hóc nghiêm trọng.

Một số chất hóa học trong pin có an toàn hơn những chất khác không?

Đúng. Pin LFP (lithium iron phosphate) thể hiện độ ổn định nhiệt vượt trội so với công thức NMC (niken-mangan-coban), đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để bắt đầu chạy. Cực âm LFP vốn đã ổn định hơn khi được sạc đầy.

Khuyến nghị an toàn thực tế

An toàn pin đòi hỏi sự chú ý trong toàn bộ vòng đời.

Chỉ mua pin được chứng nhận mang nhãn hiệu kiểm tra UL hoặc tương đương từ các nhà sản xuất có uy tín. Đối với các ứng dụng như hệ thống xe đạp điện tử 48V, việc tránh nhập khẩu giá rẻ sẽ giảm đáng kể rủi ro thoát nhiệt. Hãy chú ý đến các bài đánh giá đề cập đến vấn đề quá nhiệt, phồng rộp hoặc độ tin cậy.

Bảo quản pin trong môi trường-được kiểm soát nhiệt độ trong khoảng 40-70 độ F (5-20 độ ) với mức sạc khoảng 50% trong thời gian bảo quản kéo dài. Giữ pin tránh xa các vật liệu dễ cháy và đảm bảo thông gió đầy đủ. Không bao giờ chặn lối thoát hiểm bằng thiết bị sạc.

Kiểm tra pin thường xuyên để phát hiện hư hỏng vật lý, sưng tấy hoặc nóng bất thường. Hãy thay ngay bất kỳ pin nào có biểu hiện biến dạng-không cố gắng sạc các tế bào bị tổn hại. Sau khi va chạm hoặc đánh rơi, hãy nhờ chuyên gia đánh giá pin xe đạp điện-ngay cả khi chúng có vẻ không bị hư hỏng bên ngoài.

Chỉ sử dụng bộ sạc-được nhà sản xuất chỉ định được thiết kế cho loại pin của bạn. Tránh để pin sạc qua đêm hoặc không được giám sát. Theo dõi các thiết bị sạc để phát hiện nhiệt độ quá cao và ngắt kết nối chúng nếu nhiệt độ cao bất thường.

Sự thoát nhiệt là một rủi ro có thể quản lý được khi người dùng kết hợp các sản phẩm chất lượng với các biện pháp thực hành sáng suốt. Khi công nghệ pin tiến bộ và hệ thống an toàn được cải thiện, khoảng cách giữa lợi ích-ion của lithium và các mối nguy hiểm liên quan tiếp tục thu hẹp.

Đối với người lái xe sử dụngpin lithium 48v ebike, ưu tiên các sản phẩm được chứng nhận có khả năng quản lý nhiệt phù hợp sẽ đảm bảo hiệu suất an toàn hơn, đáng tin cậy hơn.

Nguồn:

Viện nghiên cứu UL - Thoát nhiệt là gì (ul.org)

Báo cáo khoa học - Phương pháp cảnh báo sớm về hiện tượng sạc thoát nhiệt (nature.com)

Báo cáo thu hồi ô tô Li - SAMR Trung Quốc (carnewschina.com)

Tiêu chuẩn UL và sự tham gia - Lithium-Sự cố pin ion trong hàng không: Đánh giá dữ liệu năm 2024 (ulse.org)

Chính phủ Vương quốc Anh - Hướng dẫn theo luật định về an toàn pin lithium{1}}ion cho xe đạp điện- (gov.uk)

Phân tích dữ liệu vụ cháy EV và vụ cháy ICE (evenergyhub.com)

Tạp chí Nguồn điện - Nghiên cứu mô tả đặc tính thoát nhiệt (sciencedirect.com)

Những tiến bộ về vật liệu năng lượng - Đánh giá quan trọng về các phương pháp dự đoán sự thoát nhiệt (spj.science.org)

Cơ hội liên kết nội bộ:

Thông tin cơ bản về công nghệ pin lithium{0}}ion

Nguyên tắc cơ bản của hệ thống quản lý pin (BMS)

Hệ thống an toàn xe điện

Hướng dẫn bảo dưỡng ắc quy xe đạp điện-

Quy trình an toàn cháy nổ cho pin lithium