Pin lithium-ion hiện diện ở hầu hết các thiết bị hiện đại, từ điện thoại thông minh, máy tính bảng cho tới xe điện. Trong điều kiện sử dụng và sạc đúng cách, loại pin này nhìn chung khá an toàn. Tuy nhiên, thực tế đã ghi nhận hàng nghìn vụ pin bốc cháy hoặc phát nổ trên toàn cầu, không ít trường hợp gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và thậm chí cướp đi sinh mạng con người.

Nguyên nhân cốt lõi của các sự cố này nằm ở chất điện phân, dung dịch lỏng chứa muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ, có tính dễ cháy và đóng vai trò vận chuyển dòng điện trong pin. Khi pin bị hư hại vật lý, sạc quá mức, chịu nhiệt độ cao, hoặc gặp lỗi sản xuất, hệ thống có thể trở nên mất ổn định. Nhiệt lượng sinh ra nhanh chóng kích hoạt một chuỗi phản ứng nguy hiểm gọi là “thoát nhiệt”, khiến pin nóng lên dữ dội và bốc cháy chỉ trong thời gian ngắn.

Yue Sun, nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Virginia Tech, là nhà khoa học dẫn đầu trong nghiên cứu phát triển một loại chất điện phân mới cho pin lithium-ion.

Ngành hàng không thương mại là một trong những lĩnh vực chịu rủi ro cao nhất. Các thiết bị sử dụng pin lithium-ion xuất hiện dày đặc trên máy bay, trong khi nguy cơ hỏa hoạn trên không là mối đe dọa đặc biệt nghiêm trọng.

Tại Mỹ, Cục Hàng không liên bang (FAA) đã cấm mang pin lithium-ion dự phòng trong hành lý ký gửi và yêu cầu pin mang lên khoang phải luôn ở vị trí dễ tiếp cận. Riêng trong năm 2024, FAA đã ghi nhận 89 sự cố liên quan đến pin trên các chuyến bay chở khách và hàng hóa; con số này tiếp tục tăng thêm 38 vụ chỉ trong nửa đầu năm 2025.

Hệ lụy của cháy pin không chỉ dừng ở các sự cố nhỏ lẻ. Tháng 1 vừa qua, một chiếc Airbus A321 đã bị thiêu rụi hoàn toàn trong vụ hỏa hoạn tại Busan (Hàn Quốc). Các điều tra viên nhận định nguyên nhân nhiều khả năng xuất phát từ một pin sạc dự phòng đặt trong khoang hành lý phía trên, buộc một số hãng hàng không phải siết chặt hoặc cấm hoàn toàn thiết bị này.

Ngoài lĩnh vực hàng không, nguy cơ cháy pin lithium-ion còn lan rộng trong đời sống dân sinh và sản xuất. Pin của xe đạp điện, xe scooter điện được xem là nguồn gây cháy phổ biến trong các hộ gia đình. Một khảo sát của hãng bảo hiểm Aviva năm 2024 trên hơn 500 doanh nghiệp tại Anh cho thấy hơn một nửa từng gặp sự cố liên quan đến pin lithium-ion, từ phát tia lửa đến cháy nổ.

Trước thực trạng này, giới khoa học toàn cầu đang tìm kiếm các giải pháp nhằm tăng độ an toàn cho pin. Nhiều hướng tiếp cận đã được đề xuất, như thay thế chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn hoặc gel chống cháy. Tuy nhiên, các công nghệ này đòi hỏi thay đổi sâu rộng dây chuyền sản xuất hiện nay, khiến việc thương mại hóa gặp không ít trở ngại.

Một hướng đi mới vừa được nhóm nghiên cứu tại Đại học Trung Văn Hong Kong đề xuất, mở ra triển vọng ứng dụng nhanh hơn. Thay vì thiết kế lại toàn bộ pin, nhóm chỉ thay đổi thành phần hóa học của chất điện phân. Đây là yếu tố có thể tích hợp trực tiếp vào quy trình sản xuất hiện có.

Nghiên cứu được công bố đầu năm nay và do bà Yue Sun, hiện là nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Virginia Tech, dẫn đầu nhằm giải quyết mâu thuẫn cố hữu giữa hiệu suất và độ an toàn.

“Khi tối ưu hiệu suất pin, chúng ta thường phải đánh đổi mức độ an toàn”, bà Sun cho biết. Theo bà, hiệu suất pin phụ thuộc vào các phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng, trong khi độ an toàn lại gắn với những phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao.

Từ đó, nhóm nghiên cứu phát triển một loại chất điện phân “nhạy cảm với nhiệt độ”, có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện bình thường nhưng trở nên ổn định hơn khi pin nóng lên.

Chất điện phân mới gồm hai dung môi: ở nhiệt độ phòng, dung môi thứ nhất giữ cấu trúc hóa học của pin ở trạng thái ổn định, giúp duy trì hiệu suất cao; khi nhiệt độ tăng, dung môi thứ hai sẽ làm “nới lỏng” cấu trúc này, làm chậm các phản ứng nguy hiểm và ngăn chặn hiện tượng thoát nhiệt.

Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Khi bị đâm xuyên bằng đinh, pin sử dụng chất điện phân mới chỉ tăng nhiệt độ thêm 3,5°C, trong khi pin truyền thống có thể tăng vọt tới 555°C. Đáng chú ý, pin vẫn giữ được hơn 80% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc, cho thấy hiệu suất và độ bền không bị ảnh hưởng.

Hình ảnh cho thấy kết quả thử nghiệm khả năng thẩm thấu của pin lithium-ion với dung dịch điện phân mới (bên trái) và pin tiêu chuẩn (bên phải).

Theo ông Yi-Chun Lu, giáo sư kỹ thuật cơ khí và tự động hóa tại Đại học Trung Văn Hong Kong, đồng tác giả nghiên cứu, ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là khả năng triển khai nhanh.

“Theo quy trình sản xuất, phần khó nhất là điện cực, tức phần rắn. Nhưng chất điện phân mà chúng tôi thay thế là chất lỏng, nên có thể bơm trực tiếp vào cell pin mà không cần thiết bị hay quy trình mới”, ông cho biết.

Chi phí sản xuất có thể tăng nhẹ do công thức hóa học mới, song ông Lu cho biết khi sản xuất ở quy mô lớn, giá thành sẽ gần tương đương pin hiện tại. Nhóm nghiên cứu đang làm việc với các nhà sản xuất pin và kỳ vọng công nghệ có thể được thương mại hóa trong vòng 3–5 năm tới. Hiện tại, pin thử nghiệm đã đủ lớn để cấp điện cho một máy tính bảng, song vẫn cần thêm bước xác thực trước khi mở rộng sang pin dùng cho ô tô điện.

Nhiều chuyên gia về an toàn pin lithium-ion không tham gia nghiên cứu đã đánh giá cao nghiên cứu này. Ông Donal Finegan, nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ, nhận định thiết kế mới giúp pin chịu được nhiệt độ cao và đoản mạch mà không gây cháy, đồng thời có tính khả thi cao khi mở rộng quy mô sản xuất.

Trong khi đó, Giáo sư Gary Koenig (Đại học Virginia) cho rằng việc tìm ra công thức điện phân cân bằng giữa tuổi thọ pin và độ ổn định nhiệt là một bước tiến quan trọng.

“Từ góc độ sản xuất, nếu không phát sinh vấn đề tương thích, việc áp dụng chất điện phân mới hoàn toàn có thể được triển khai trong thời gian tương đối ngắn”, ông nhận xét.

Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này có thể đánh dấu một bước ngoặt lớn, góp phần giảm thiểu nguy cơ cháy nổ pin lithium-ion, mối đe dọa âm thầm đang hiện diện trong đời sống hiện đại.