Pin xe điện vì sao bị phồng? Hiện tượng sinh khí và các giải pháp

Công nghệ pin
Tác giả: Deniz Erkan
Ngày tạo: 26 Tháng 10 2026

Một ắc quy phồng không phải là sự hỏng hóc xảy ra đột ngột; đó là kết quả hữu hình của quá trình sinh khí kéo dài âm thầm trong nhiều tháng.

Chia sẻ trang này

Triệu chứng hư hỏng dễ thấy nhất nhưng ít được nói đến nhất trên pin xe điện là sự phồng lên vật lý của cell pin. Quá trình này diễn ra bên dưới vỏ xe, bên trong một cụm pin nằm dưới ghế ngồi nên không ai nhìn thấy được; cho đến khi miếng gioăng hộp pin hơi bong lên, mặt ghế bị phồng cong hoặc có mùi khí phát ra từ nắp capo. Pin phồng không có nghĩa là pin hỏng ngay lập tức - đó là dạng biểu hiện hữu hình của quá trình sinh khí diễn ra trong hóa học bên trong cell trong nhiều tháng hay nhiều năm. Và điều thú vị của vấn đề này là: pin phồng là điều khó tránh trong mọi trường hợp, nhưng tốc độ của nó phần lớn được quyết định bởi cách sử dụng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu những quá trình hóa học nào khởi phát tình trạng pin phồng ở một cell không bị lỗi, các dạng cell quản lý sự phồng khác nhau như thế nào, và các nhà sản xuất ứng phó với hiện tượng này ra sao thông qua thiết kế cụm pin và hệ thống quản lý pin. Cuối cùng, chúng ta sẽ quay lại với câu hỏi thực tế: Pin bị phồng có thể sử dụng an toàn không?

Tại sao cell pin bị phồng? Cơ chế hóa học của quá trình sinh khí

Đằng sau sự phồng của một cell lithium-ion có ba cơ chế cơ bản: những thay đổi cấu trúc ở các điện cực, sự phân hủy chất điện ly và kết quả là khí tích tụ bên trong cell. Trong số đó, nổi bật nhất là quá trình sinh khí, vì các cell lithium-ion được niêm phong kín trong một hộp gần như đầy - mọi phân tử khí hình thành bên trong đều buộc phải làm tăng thể tích của hộp.

Lớp SEI: Lớp màng được hình thành cho một cell hoạt động được nhưng không bao giờ ngừng phát triển

Khi cell được sạc lần đầu, bề mặt than chì ở điện cực âm phản ứng với dung môi điện ly và một lớp bảo vệ dày vài chục nanomet được hình thành: lớp trung gian điện ly rắn, hay còn gọi là SEI. Thực ra lớp này rất tốt - nó cho phép các ion lithium đi qua nhưng ngăn dung môi thâm nhập sâu hơn và ăn mòn anot. Nó là điều kiện cần cho hoạt động của cell. Nhưng nhược điểm là: nó không bao giờ dừng lại hoàn toàn.

Trong mỗi chu kỳ sạc, SEI lại dày thêm một chút, và trong quá trình phát triển này các phân tử dung môi bị khử, các khí thoát ra tích tụ bên trong cell. SEI cũng là nguồn chính gây mất ion lithium; lớp này càng dày thì điện trở truyền tải điện tích càng tăng, điện trở nội bộ của cell tăng lên, dung lượng giảm. Nói cách khác, bản thân sự phồng chỉ là sản phẩm phụ - vấn đề thực sự là những phản ứng phụ tạo ra nó đồng thời cũng khiến pin già đi.

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự phát triển của SEI chủ yếu phụ thuộc vào quá trình khử dung môi được kích hoạt bằng điện hóa; đây là đặc tính giúp quá trình dày lên của lớp này không phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngược lại, tốc độ sinh khí vẫn được nhiệt độ quyết định - hai quá trình riêng biệt, hai hành vi khác nhau.

Những khí nào được tạo ra và đến từ đâu?

Khi một cell bị phồng được mở ra và phân tích, hỗn hợp khí bên trong được xác định chủ yếu gồm CO₂, CO và O₂. Nguồn của các khí này là quá trình oxy hóa chất điện ly trên bề mặt điện cực dương trong khi sạc và quá trình khử lithium ở điện cực âm. Vật liệu catốt thải ra các khí này trong suốt vòng đời; một lượng nhỏ hydro cũng đến từ phản ứng của lithium với độ ẩm thấm vào trong tế bào. Chừng nào khí còn tích tụ bên trong vỏ, tế bào sẽ phồng lên; khi nắp mở ra và khí được xả ra, chất điện phân bên trong tế bào đã cạn kiệt, hóa học đã thay đổi một cách không thể đảo ngược.

Quá nóng sẽ thay đổi bức tranh: lần này không chỉ các phản ứng redox trên bề mặt điện cực, mà chính các dung môi điện phân cũng bắt đầu phân hủy về mặt hóa học. Sản lượng khí tăng gấp bội. Khi sạc quá mức, khí sinh ra từ catốt làm áp suất nội bộ tăng nhanh - trong kịch bản xấu nhất có thể kích hoạt chuỗi sự kiện nhiệt.

Điểm nổi bật

Nguyên nhân chính gây phồng là khí sinh ra từ sự phát triển của lớp SEI và sự phân hủy điện phân; các thành phần chính là CO₂, CO và O₂.
Bảo quản ở nhiệt độ cao với trạng thái sạc được giữ cao làm tăng trực tiếp tốc độ suy giảm.
Trên dữ liệu của hơn 22.000 xe điện, mức suy giảm pin trung bình hàng năm là 2,3%; yếu tố rủi ro lớn nhất là sạc nhanh DC công suất cao.
Một tế bào prismatic dày 5 mm có thể giãn nở lên 8 mm trong suốt vòng đời sử dụng; khoảng dung sai này được tính toán ngay từ đầu trong thiết kế bộ pin.
Pin đã phồng không nên tiếp tục sử dụng - ngay cả khi đã xả khí, hóa học bên trong tế bào đã bị hỏng vĩnh viễn.

Định dạng tế bào quản lý tình trạng phồng như thế nào: Túi, prismatic và trụ

Poşet hücre şişmeyi hiç gizlemezken silindirik tasarım aynı dış ölçüde saklar, prizmatik ise havalandırma vanasıyla yönetir.

Sản sinh khí xảy ra trong mọi tế bào lithium-ion; nhưng tình trạng phồng hiển thị ra bên ngoài như thế nào lại phụ thuộc vào thiết kế vỏ. Ba định dạng chính giải quyết vấn đề này theo ba cách khác nhau.

Định dạng	Hành vi phồng	Điểm mạnh	Điểm yếu
Trụ	Cấu trúc cuộn lỏng hấp thụ khí trong thể tích bên trong, kích thước bên ngoài gần như không thay đổi	Ổn định kích thước, khả năng tái lập sản xuất	Thể tích cố định, đóng gói kém hiệu quả
Prismatic	Bề mặt phẳng dễ phồng nhất; cần van thông khí lớn	Vỏ kim loại chắc chắn, an toàn cơ học tốt	Quản lý nhiệt khó, cần dung sai thể tích
Túi	Laminat dẻo phản chiếu trực tiếp tình trạng phồng ra bên ngoài	Nhẹ, tản nhiệt tốt	Định dạng có hiện tượng phồng rõ ràng nhất

Tế bào trụ gồm một cấu trúc được cuộn dọc theo khối lượng của nó, và cuộn lỏng này hấp thụ sự tích tụ khí cùng sự giãn nở của điện cực trong thể tích bên trong; kích thước bên ngoài của tế bào trên thực tế vẫn giữ nguyên. Với tế bào prismatic, các bề mặt phẳng lớn truyền áp suất khí trực tiếp ra ngoài - vì vậy cần thiết phải có một van thông khí lớn có thể xả mà không bị rách khi áp suất tăng đáng kể. Vì tế bào túi sử dụng bao bì laminat nhôm-nhựa dẻo nên không có vỏ cứng, và sự phồng thay đổi trực tiếp hình dạng của bao bì. Đổi lại, tế bào túi nhẹ hơn rõ rệt so với các tế bào tương đương có vỏ thép và tản nhiệt tốt hơn.

Các hệ quả thực tiễn cũng rất cụ thể: một tế bào prismatic tiêu chuẩn 5 mm có thể giãn nở lên 8 mm trong suốt vòng đời sử dụng. Nhà thiết kế bộ pin bắt buộc phải biết sự khác biệt này ngay từ ngày đầu tiên; khoảng cách đặt giữa các cell được xác định bằng mô phỏng và dữ liệu thử nghiệm nhằm kiểm soát lực phồng và hạn chế sự suy giảm dung lượng lâu dài.

Ba thứ làm accelerate quá trình thoái hóa pin: nhiệt độ, sạc đầy và sạc nhanh

Mọi cell lithium-ion đều lão hóa; câu hỏi là những điều kiện nào làm accelerate quá trình lão hóa đó. Bốn yếu tố thúc đẩy chính của sự suy thoái là nhiệt độ, xả sâu, sạc nhanh và lão hóa theo lịch - tức là thời gian. Vì phần lớn các phản ứng phụ là những phản ứng bị nhiệt accelerate, nhiệt độ môi trường cao thúc đẩy hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, gây hại cho vật liệu điện cực và làm tăng sự sinh khí. Trong một cell quá nóng, lớp SEI có thể sụp đổ hoặc tạo cầu nối; trong trường hợp này, chất điện phân tiếp xúc trực tiếp với điện cực và quá trình suy thoái gần như nhảy vọt.

Biến số quan trọng thứ hai là trạng thái sạc trong thời gian lưu trữ. Ở một pin được để trong nóng, mức sạc càng cao thì sự thoái hóa càng tiến triển nhanh - đối với một EV đậu ở mức sạc đầy dưới nắng hè, đây là sự kết hợp bất lợi nhất. Đó là lý do các nhà sản xuất khuyến nghị trạng thái sạc khoảng 50-60% khi lưu trữ lâu dài; sự phát triển của SEI và sự sinh khí tăng nhanh khi anode duy trì tình trạng bão hòa lithium trong thời gian dài.

Yếu tố thúc đẩy thứ ba là phương pháp sạc. Sạc xung ở tỷ lệ cao làm accelerate sự phân hủy electrolyte, hiện tượng lắng đọng lithium (lithium plating) và các phản ứng phụ khác, từ đó làm tăng sự sinh khí. Dữ liệu thực địa quy mô lớn ủng hộ điều này: Khi phân tích dữ liệu pin của hơn 22.000 xe điện, mức suy giảm trung bình hàng năm được tính là 2,3% và sạc nhanh DC công suất cao nổi lên là yếu tố rủi ro rõ rệt nhất. Điều này không có nghĩa là cấm sạc nhanh - nhưng các phiên sạc DC liên tiếp trong cái nóng gay gắt kích thích sự phồng và mất dung lượng nhiều hơn sạc chậm một cách đo lường được.

Phồng nghĩa là gì: mất hiệu năng, hay rủi ro an toàn?

Sự phồng là cây cầu kết nối giữa sự suy giảm hiệu năng và rủi ro an toàn. Trong một cell bị phồng, ba điều xảy ra đồng thời: tính toàn vẹn cấu trúc bị suy yếu, công suất và quãng đường giảm do điện trở nội tăng, và vỏ tích tụ khí trở nên căng cơ học. Dưới áp suất quá cao, cell có thể nhanh chóng sinh nhiệt và thải ra một lượng lớn khí dễ cháy; trong kịch bản xấu nhất, điều này chuyển thành hỏa hoạn.

Vậy liệu mọi pin bị phồng đều nguy hiểm? Câu trả lời trung thực cho câu hỏi này không phải là nhị nguyên. An toàn của các pin bị phồng không thể được gắn nhãn là nguy hiểm hay an toàn một cách tuyệt đối; mà được đánh giá theo từng trường hợp. Tuy nhiên, bức tranh ở khía cạnh thực tế rất rõ ràng: không nên sử dụng một pin đã bị phồng. Nghĩ rằng cell có thể sử dụng lại sau khi khí được xả ra là một quan niệm sai lầm phổ biến - sự tồn tại của khí là bằng chứng cho thấy các quá trình hóa học tạo ra nó đã tiến triển, và quá trình này không thể đảo ngược. Electrolyte đã cạn kiệt, SEI đã suy thoái, dung lượng đã mất đi; cell còn lại là một cell đang đứng bên ngưỡng của sự cố nội bộ đầu tiên.

Vấn đề quy mô cũng quan trọng: sự phồng của một cell điện thoại thông minh và sự phồng của một pack EV, dù cùng dựa trên một công thức hóa học, nhưng đại diện cho các mức độ rủi ro khác nhau. Trong pack EV có hàng nghìn cell nằm giữa các tấm làm mát hàng trăm lít, khung thép và vách chống cháy; việc một cell xả khí qua van kiểm soát hiếm khi gây sự cố, nhưng việc hiện tượng này lan rộng ra toàn bộ hệ thống là điều không mong muốn.

Thiết kế pack và BMS cùng các biện pháp chống phồng

Chiến lược của các nhà sản xuất chống phồng được triển khai trên hai tầng: thiết kế vật lý của pack và quản lý điện tử.

Về mặt vật lý, công việc bắt đầu trước khi cell được đóng kín - các chất phụ gia điện phân được pha chế nhằm triệt tiêu các phản ứng phụ sinh khí. Ở cấp độ pack, các khoảng hở được tính toán giữa các cell, lực ép được điều chỉnh bằng mô phỏng và các đường thông gió được xác định cho cell dạng hộp/chai. Thiết kế khoảng hở giữa các cell không phải là chi tiết thẩm mỹ; trong một module có kích thước sai, lực phồng gây áp lực lên các cell lân cận và đẩy nhanh mất dung lượng.

Về mặt điện tử, giới hạn của công việc phải được vạch rõ: BMS không thể ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng phồng - nó giảm thiểu rủi ro chứ không loại bỏ. Một BMS được tinh chỉnh tốt, bằng cách theo dõi điện áp và nhiệt độ của cell, cắt bỏ những yếu tố kích hoạt lớn nhất gây sinh khí do sạc quá mức và xả sâu; khi phát hiện tín hiệu nguy cơ phồng, nó có thể bảo vệ các cell bằng cách dừng sạc. Nhưng BMS truyền thống có một điểm mù quan trọng: nó không trực tiếp cảm nhận được áp suất bên trong cell hay các tác động vật lý của sự phồng. Điểm mù này không chỉ là thiếu hụt cảm nhận - vì hành vi điện áp của cell bị phồng thay đổi, các dự đoán trạng thái sạc của BMS cũng có thể trở nên sai lệch.

Để lấp khoảng trống này, các giải pháp thế hệ mới đang được phát triển: ví dụ như các thuật toán nhận diện phát hiện phồng cell bằng thị giác và theo dõi áp suất ở cấp module. Phồng pin, vốn ban đầu có vẻ là vấn đề chất lượng, dần trở thành một đại lượng đo lường được đưa vào hạ tầng cảm biến nội tại của chính pack.

Người lái có trong tay những gì để làm chậm quá trình phồng?

Cơ chế phồng nằm bên trong cell nhưng các yếu tố đẩy nhanh phần lớn nằm trong tầm kiểm soát của người dùng. Những gì người lái có thể làm mang lại lợi ích đơn giản và đo lường được:

Nếu xe phải đỗ trong thời gian dài, hãy để pin ở mức khoảng 50-60%; cell bị giữ ở trạng thái sạc đầy, đặc biệt trong điều kiện nóng, sẽ xuống cấp nhanh hơn nhiều.
Đỗ xe càng nhiều càng tốt trong bóng râm hoặc nơi có mái che; nhiệt độ môi trường cao là chất xúc tác chính của các phản ứng phụ sinh khí.
Trong sử dụng hàng ngày, hãy ưu tiên sạc AC, dành sạc nhanh DC cho những thời điểm thực sự cần thiết - dữ liệu thực địa cho thấy việc sử dụng DC dày đặc là yếu tố rủi ro đơn lẻ lớn nhất trong quá trình xuống cấp.
Tránh xả sâu; việc thường xuyên hạ cell xuống dưới 20% làm nuôi dưỡng hiện tượng sinh khí thông qua lithium plating và suy thoái SEI.
Đừng cộng thêm các phiên sạc nhanh liên tiếp vào ô pin đang mệt mỏi giữa cái nắng gay gắt của mùa hè; hãy dành thời gian để hệ thống làm mát giúp pin hồi phục.

Quay lại câu hỏi cuối cùng: Tại sao pin xe điện bị phình? Bởi vì hóa học lithium-ion, khi làm dày thêm lớp SEI mà nó tạo ra để tự bảo vệ qua mỗi chu kỳ, cũng sinh ra khí như một sản phẩm phụ, và khí này không còn cách nào khác ngoài làm tăng thể tích của ô pin được bịt kín. Phình pin là chữ ký vật lý của hóa đơn mà hóa học viết ra - không thể tránh khỏi, nhưng việc xác định tốc độ của nó là công việc chung của người dùng và nhà sản xuất. Nhà sản xuất trả góp hóa đơn đó bằng thiết kế pack, thông gió và BMS; người lái xe giảm tổng số tiền bằng thói quen về nhiệt độ và sạc pin. Và nếu ô pin đã phình rõ rệt một lần, quyết định đúng duy nhất là ngừng sử dụng và mang đi đánh giá chuyên nghiệp.