Pin lithium-ion là bộ phận quyết định phạm vi hoạt động, hiệu suất và độ an toàn của xe điện. Tuy nhiên, những sai lệch rất nhỏ phát sinh trong quá trình chế tạo điện cực có thể làm dòng điện phân bố không đồng đều, tạo điểm nóng cục bộ và góp phần dẫn đến hiện tượng mất ổn định nhiệt. Việc phát hiện sớm các khiếm khuyết này ngay trên dây chuyền sản xuất vì thế có ý nghĩa quan trọng đối với chất lượng pin.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) vừa phát triển một phương pháp đo không tiếp xúc, không phá hủy, có thể xác định độ dày điện cực với độ chính xác đến cấp nanomet. Công nghệ kết hợp sóng terahertz với lược tần số quang học, cho phép kiểm tra nhanh cấu trúc bên trong điện cực mà không phải cắt, tháo rời hoặc làm hỏng mẫu pin. Kết quả được công bố trên Nature Communications ngày 10/6/2026.

Sai lệch nhỏ có thể tạo điểm nóng trong pin

Một pin lithium-ion thông thường gồm cực âm, cực dương, chất điện phân và lớp phân cách. Độ dày, độ xốp, thành phần vật liệu và mức độ đồng đều của lớp phủ điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tích trữ năng lượng, tốc độ sạc, tuổi thọ và độ ổn định nhiệt của pin.

Nếu lớp vật liệu điện cực dày hoặc mỏng không đồng đều, mật độ dòng điện có thể tập trung tại một số vị trí trong quá trình sạc và xả. Khu vực này sinh nhiệt nhiều hơn các vùng xung quanh. Khi nhiệt không được giải phóng kịp thời, các phản ứng phụ có thể tăng tốc và làm nhiệt độ pin tiếp tục tăng, tạo điều kiện dẫn đến hiện tượng mất ổn định nhiệt, cháy hoặc nổ. Tuy nhiên, độ dày không đồng đều chỉ là một trong nhiều nguyên nhân gây sự cố pin, bên cạnh đoản mạch, hư hỏng lớp phân cách, tạp chất, va chạm cơ học, sạc quá mức và hệ thống quản lý nhiệt không phù hợp.

Do đó, công nghệ mới không trực tiếp loại bỏ mọi nguy cơ cháy pin, nhưng có thể giúp nhận diện sớm một nhóm sai lỗi quan trọng trong quá trình sản xuất.

Dùng sóng terahertz “nhìn” vào điện cực

Các phương pháp kiểm tra pin hiện nay đều có những giới hạn nhất định. Chụp cắt lớp bằng tia X có khả năng quan sát cấu trúc bên trong với độ chi tiết cao, nhưng thời gian đo tương đối dài và chi phí lớn, gây khó khăn khi triển khai trên dây chuyền sản xuất tốc độ cao. Kính hiển vi âm học có thể phát hiện phản xạ bên dưới bề mặt nhưng thường cần môi trường tiếp xúc dạng lỏng. Trong khi đó, cảm biến dịch chuyển laser đo nhanh nhưng chủ yếu thu nhận tín hiệu từ bề mặt và khó xuyên sâu vào điện cực có tính dẫn điện, độ xốp và khả năng hấp thụ ánh sáng cao.

Nhóm của Giáo sư Young-Jin Kim thuộc Khoa Cơ khí KAIST đã sử dụng sóng terahertz, vùng bức xạ điện từ nằm giữa sóng vô tuyến và ánh sáng hồng ngoại. Bước sóng tương đối dài giúp tín hiệu ít bị ảnh hưởng bởi độ nhám vi mô trên bề mặt và có thể thâm nhập vào vật liệu điện cực tốt hơn ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần.

Khi sóng terahertz chiếu vào điện cực, tín hiệu được phản xạ nhiều lần giữa hai bề mặt của lớp vật liệu, hình thành giao thoa Fabry–Pérot. Khoảng cách giữa các vân giao thoa chứa thông tin về độ dày và đặc tính quang học của điện cực.

Để đọc tín hiệu với độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu sử dụng lược tần số quang học làm thước đo tham chiếu. Công nghệ này tạo ra nhiều tần số ánh sáng cách đều nhau, giống các vạch chia trên một chiếc thước siêu chính xác. Nhờ đó, hệ thống có thể đồng thời tính toán độ dày và chiết suất phức của vật liệu mà không cần một quy trình hiệu chuẩn riêng cho từng mẫu.

Độ chính xác đạt cấp nanomet

Công nghệ được thử nghiệm trên các điện cực có độ dày từ 50 đến 150 micromet. Với thời gian đo 0,2 giây, hệ thống nhận biết sai lệch khoảng 70,1 nanomet ở cực âm và 465,5 nanomet ở cực dương. Tốc độ này được nhóm nghiên cứu đánh giá có tiềm năng đáp ứng yêu cầu kiểm tra trên dây chuyền sản xuất chuyển động nhanh.

Khi kéo dài thời gian thu nhận tín hiệu lên 25,6 giây, độ chính xác được cải thiện xuống còn 7,8 nanomet đối với cực âm và 25,2 nanomet đối với cực dương. So với các phương pháp phân tích terahertz miền thời gian thông thường, kết quả thể hiện mức cải thiện từ một đến hai bậc độ lớn.

Hệ thống không chỉ đo tại một điểm mà còn có thể lập bản đồ ba chiều về độ dày trên bề mặt điện cực, theo dõi sự biến đổi theo thời gian và duy trì khả năng đo khi mẫu nghiêng khoảng 45 độ. Đây là đặc điểm quan trọng bởi màng điện cực trên dây chuyền thực tế luôn chuyển động, rung và khó duy trì vị trí hoàn toàn cố định.

Từ phòng thí nghiệm đến dây chuyền sản xuất

Trước khi được ứng dụng rộng rãi, hệ thống cần được kiểm chứng trên các cuộn điện cực có diện tích lớn, vận tốc cao và nhiều thành phần vật liệu khác nhau. Chi phí thiết bị, độ bền của nguồn terahertz, khả năng xử lý dữ liệu tức thời và mức độ tương thích với dây chuyền hiện hữu cũng cần được đánh giá.

Dù vậy, công nghệ mở ra khả năng xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng khép kín. Dữ liệu đo có thể được truyền về bộ điều khiển để điều chỉnh ngay lượng vật liệu phủ, tốc độ cán hoặc áp lực nén khi phát hiện độ dày lệch khỏi giới hạn cho phép. Cách tiếp cận này giúp chuyển kiểm tra chất lượng từ lấy mẫu sau sản xuất sang giám sát liên tục theo thời gian thực.

Ngoài pin lithium-ion, nhóm KAIST cho rằng phương pháp còn có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất pin thể rắn, nơi những khuyết tật như khoảng rỗng, bong tách lớp và tiếp xúc không đồng đều giữa các vật liệu có thể ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất và độ an toàn.

Công nghệ giao thoa terahertz tham chiếu bằng lược tần số quang học đánh dấu bước tiến đáng chú ý trong đo kiểm pin không phá hủy. Khả năng phát hiện sai lệch độ dày ở cấp nanomet trong thời gian ngắn có thể giúp nhà sản xuất nhận diện lỗi sớm, ổn định quy trình và giảm nguy cơ các cell pin không đạt tiêu chuẩn đi vào sử dụng.

Tuy nhiên, đây chưa phải giải pháp duy nhất cho bài toán cháy nổ pin xe điện. An toàn pin vẫn cần được bảo đảm xuyên suốt từ lựa chọn vật liệu, thiết kế cell, sản xuất, quản lý nhiệt đến kiểm soát sạc và sử dụng. Giá trị lớn nhất của công nghệ mới nằm ở việc bổ sung một công cụ đo chính xác, nhanh và không phá hủy cho hệ thống phòng ngừa rủi ro ngay từ nhà máy.

P.T (theo Nature Communications)