Sử dụng cảm biến phát hiện hư hỏng của pin lithium - ion

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng, Đại học Johns Hopkins, Hoa Kỳ, đã phát triển một thiết bị cảm biến giá rẻ dành cho pin lithium-ion. Thiết bị dựa trên mối liên hệ nội tại giữa những thông số điện năng dễ đo và nhiệt độ bên trong tế bào pin trong quá trình hoạt động. Mục tiêu chính là cảnh báo sớm tình trạng quá nhiệt, vốn có thể chuyển thành hỏng hóc nghiêm trọng nếu không được xử lý ngay lập tức. Pin lithium-ion hiện xuất hiện rộng rãi trong xe điện, xe hybrid, hệ thống lưu trữ cho lưới điện, cùng nhiều ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ. Công nghệ này cũng liên quan trực tiếp đến những thiết bị quen thuộc như điện thoại di động và máy tính xách tay, nơi pin thường phải làm việc với cường độ cao. Đáng chú ý, quá trình quá nhiệt bên trong pin có thể diễn ra chỉ trong vài giây, khiến khoảng thời gian phản ứng an toàn trở nên rất ngắn. Khi nhiệt độ tăng mất kiểm soát, pin lithium-ion có nguy cơ cháy nổ, gây đe dọa cho thiết bị, người sử dụng và cả môi trường xung quanh. Vì vậy, phát hiện sớm thay đổi nhiệt độ tại vị trí nhạy cảm giữ vai trò quan trọng trong việc ngăn sự cố phát triển thành thảm họa. Nhóm nghiên cứu tập trung vào bề mặt giao diện điện hóa giữa các điện cực và chất điện phân, khu vực có ý nghĩa quyết định với hoạt động của tế bào pin. Đây cũng là nơi các lớp bảo vệ giữa điện cực và chất điện phân có thể ghi nhận những biến đổi nhiệt liên quan đến nguy cơ quá nhiệt. Nhà hóa học Srinivasan cho biết nhóm nghiên cứu có thể đo nhiệt độ của những lớp bảo vệ này trong điều kiện pin vận hành bình thường. Khả năng theo dõi liên tục tạo cơ sở để nhận ra những thay đổi bất thường trước khi nhiệt độ bên trong đạt đến mức nguy hiểm. Theo nhóm nghiên cứu, các cảm biến nhiệt có thể được tích hợp trực tiếp trên bề mặt những lớp bảo vệ nằm giữa điện cực và chất điện phân. Vị trí lắp đặt này cho phép cảm biến quan sát đúng khu vực nơi hiện tượng quá nhiệt có thể bắt đầu, thay vì chỉ đánh giá nhiệt độ bên ngoài. Cách tiếp cận giúp thiết bị ghi nhận biến động nhiệt đang diễn ra, đồng thời cung cấp thông tin sớm hơn cho hệ thống quản lý pin. Thiết bị cảm biến sử dụng một mối nối điện hóa đơn giản được bố trí tại hai đầu cực, gồm đầu cuối tiêu cực và đầu cuối tích cực của tế bào pin. Thiết kế này giúp cảm biến lấy điện năng trực tiếp từ chính viên pin lithium-ion đang được giám sát, không cần một nguồn cấp riêng biệt phức tạp. Nhờ cấu trúc đơn giản, chi phí của thiết bị có thể thấp hơn, tạo thuận lợi cho khả năng tích hợp vào nhiều sản phẩm sử dụng pin lithium-ion. Khi kết hợp với mạch điện đa hợp, một thiết bị cảm biến còn có thể theo dõi nhiều tế bào cùng lúc trong một gói pin lithium-ion. Khả năng giám sát nhiều tế bào đặc biệt hữu ích với các bộ pin lớn, bởi sự cố tại một tế bào có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Thiết bị mới giúp kiểm soát chặt chẽ hơn hiệu suất pin, đồng thời phát hiện điều kiện quá nhiệt không an toàn tại thời điểm then chốt trước sự cố. Srinivasan nhấn mạnh rằng cảnh báo sớm có thể hỗ trợ việc điều chỉnh nhiệt độ, nhất là tại bề mặt giao diện điện hóa quan trọng giữa các thành phần pin. Các nhà sản xuất, nhà quản lý hệ thống và nhà cung cấp giải pháp pin lithium-ion có thể tích hợp công nghệ này vào sản phẩm của mình. Việc tích hợp được kỳ vọng làm tăng mức độ an toàn và hiệu suất sử dụng cho nhiều thiết bị, phương tiện và hệ thống lưu trữ năng lượng.