Con đường hướng tới hiện thực hóa lời hứa về pin toàn trạng thái

Khi nói đến pin, luôn có những lĩnh vực cần cải thiện: cuộc đua đang phát triển pin rẻ hơn, an toàn hơn, lâu dài hơn, đậm đặc năng lượng hơn và dễ dàng tái chế.

Trong một bài báo đánh giá được công bố trên tạp chí Công nghệ Nano tự nhiên tháng 3 năm 2020 , các nhà nghiên cứu nano tại Đại học California San Diego đưa ra một lộ trình nghiên cứu bao gồm bốn thách thức cần được giải quyết để thúc đẩy một loại pin đầy hứa hẹn – hoàn toàn chắc chắn – pin nhà nước – để thương mại hóa. Bài viết này tóm tắt công việc của nhóm để giải quyết những thách thức này trong ba năm qua, đã được báo cáo trong một số bài báo đánh giá ngang hàng được công bố trên các tạp chí khác nhau.

Không giống như pin lithium ion có thể sạc lại ngày nay, có chứa chất điện phân lỏng thường dễ cháy, pin có chất điện phân rắn mang đến khả năng an toàn cao hơn, bên cạnh toàn bộ lợi ích bao gồm mật độ năng lượng cao hơn.

Trong bài báo đánh giá của Công nghệ Nano , các nhà nghiên cứu tập trung vào các chất điện phân rắn vô cơ như oxit gốm hoặc thủy tinh sunfua. Chất điện phân rắn vô cơ là một loại chất điện phân rắn tương đối mới cho pin trạng thái rắn (trái ngược với chất điện phân rắn hữu cơ được nghiên cứu rộng rãi hơn.)

Lộ trình: chất điện phân vô cơ cho pin trạng thái rắn

Sau đây là phác thảo về lộ trình mà các nhà nghiên cứu mô tả trong bài viết đánh giá của họ:

• Tạo mạch ghép nối điện phân thể rắn ổn định
• Các công cụ mới để chuẩn đoán và mô tả operado
• Khả năng mở rộng và hiệu quả sản xuất
• Pin được thiết kế để tái chế

“Điều quan trọng là chúng tôi lùi lại và suy nghĩ về cách giải quyết những thách thức này đồng thời bởi vì tất cả chúng đều có liên quan đến nhau”, Shirley Meng, giáo sư kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs, nói. “Nếu chúng ta sẽ thực hiện tốt lời hứa về pin toàn trạng thái, chúng ta phải tìm giải pháp giải quyết tất cả những thách thức này cùng một lúc.”

Là giám đốc của Trung tâm năng lượng và năng lượng bền vững UC San Diego và giám đốc của Viện nghiên cứu và thiết kế vật liệu UC San Diego, Mạnh là thành viên chủ chốt của một nhóm các nhà nghiên cứu đi đầu trong tất cả các nghiên cứu và phát triển pin trạng thái rắn tại UC Thành phố San Diego.

Tạo mạch ghép nối điện phân thể rắn ổn định

Các chất điện phân trạng thái rắn đã đi một chặng đường dài kể từ những ngày đầu tiên của chúng, khi các chất điện phân đầu tiên được phát hiện có giá trị độ dẫn quá thấp cho các ứng dụng thực tế. Các chất điện phân trạng thái rắn tiên tiến ngày nay cho thấy độ dẫn điện vượt xa cả các chất điện phân lỏng thông thường được sử dụng trong pin ngày nay (lớn hơn 10 mS cm ^-1 ). Độ dẫn ion liên quan đến việc các ion lithium có thể di chuyển nhanh như thế nào trong chất điện phân.

Thật không may, hầu hết các chất điện phân rắn dẫn điện cao được báo cáo thường không ổn định về điện hóa và phải đối mặt với các vấn đề khi áp dụng đối với các vật liệu điện cực được sử dụng trong pin.

“Tại thời điểm này, chúng ta nên chuyển sự tập trung của mình ra khỏi việc đuổi theo độ dẫn ion cao hơn. Thay vào đó, chúng ta nên tập trung vào sự ổn định giữa các chất điện phân và điện cực trạng thái rắn”, ông Mạnh nói.

Nếu độ dẫn ion tương tự như tốc độ của một chiếc xe có thể được điều khiển, thì độ ổn định của mạch ghép nối đề cập đến mức độ khó để vượt qua giờ cao điểm. Không quan trọng xe của bạn có thể đi nhanh đến mức nào nếu bạn bị kẹt xe trên đường đi làm.

Các nhà nghiên cứu tại UC San Diego gần đây đã giải quyết nút thắt ổn định mạch ghép nối này, trình diễn cách ổn định mạch ghép nối điện cực điện phân và cải thiện hiệu suất pin bằng cách sử dụng chất điện phân rắn với độ dẫn ion vừa phải nhưng thể hiệnmạch ghép nối ổn định.

Các công cụ mới để chẩn đoán và mô tả operando

Tại sao pin bị hỏng? Tại sao ngắn mạch xảy ra? Quá trình tìm hiểu những gì diễn ra bên trong pin đòi hỏi phải mô tả đặc trưng cho kích thước nano, lý tưởng nhất là trong thời gian thực. Đối với pin trạng thái rắn, đây là một thách thức vô cùng lớn.

Đặc tính pin thường dựa vào việc sử dụng các đầu dò như tia X, hoặc kính hiển vi điện tử hoặc quang học. Trong pin lithium ion thương mại, các chất điện phân lỏng được sử dụng là trong suốt, cho phép quan sát các hiện tượng khác nhau ở các điện cực tương ứng. Trong một số trường hợp, chất lỏng này cũng có thể được rửa trôi để cung cấp bề mặt sạch hơn cho đặc tính độ phân giải cao hơn.

“Chúng ta có thời gian quan sát pin lithium ion ngày nay dễ dàng hơn nhiều. Nhưng trong pin ở trạng thái rắn, mọi thứ đều rắn hoặc bị chôn vùi. Nếu bạn thử các kỹ thuật tương tự đối với pin ở trạng thái rắn, nó giống như cố gắng nhìn xuyên qua một viên gạch tường, “Darren HS Tan, một tiến sĩ nanoengineering ứng viên tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs.

Ngoài ra, chất điện phân rắn và kim loại lithium được sử dụng trong pin trạng thái rắn có thể nhạy cảm với sự phá hủy của chùm electron. Điều này có nghĩa là các kỹ thuật kính hiển vi điện tử tiêu chuẩn được sử dụng để nghiên cứu pin sẽ làm hỏng các vật liệu quan tâm trước khi chúng có thể được quan sát và mô tả.

Một cách mà các nhà nghiên cứu của UC San Diego đang vượt qua những thách thức này là sử dụng các phương pháp đông lạnh để giữ cho vật liệu pin được mát, giảm thiểu sự phân hủy của chúng dưới đầu dò của kính hiển vi điện tử.

Một công cụ khác được sử dụng để vượt qua các trở ngại trong việc mô tả các chất điện phân rắn là chụp cắt lớp tia X. Điều này tương tự với những gì con người trải qua trong quá trình kiểm tra sức khỏe. Cách tiếp cận đã được sử dụng trong một báo cáo gần đây về quan sát – mà không cần mở hoặc phá vỡ pin – của các sợi nhánh lithium được chôn trong chất điện phân rắn.

Khả năng mở rộng và hiệu quả sản xuất

Những đột phá trong nghiên cứu pin thường không có ý nghĩa nhiều nếu chúng không thể mở rộng. Điều này bao gồm những tiến bộ cho pin trạng thái rắn. Nếu loại pin này sẽ tham gia vào thị trường trong vòng vài năm tới, cộng đồng pin cần có cách để sản xuất và xử lý các vật liệu thành phần nhạy cảm của chúng có hiệu quả và ở quy mô lớn.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển – trong phòng thí nghiệm – các vật liệu điện phân rắn khác nhau thể hiện các tính chất hóa học lý tưởng cho pin. Thật không may, nhiều trong số các vật liệu đầy hứa hẹn này là quá tốn kém hoặc quá khó để mở rộng quy mô cho sản xuất khối lượng lớn. Ví dụ, nhiều người trở nên giòn cao khi được làm đủ mỏng để sản xuất cuộn để cuộn, đòi hỏi độ dày dưới 30 micromet.

Ngoài ra, các phương pháp sản xuất chất điện phân rắn ở quy mô lớn hơn không được thiết lập tốt. Ví dụ, hầu hết các giao thức tổng hợp yêu cầu nhiều quy trình năng lượng bao gồm nhiều bước phay, ủ nhiệt và xử lý dung dịch.

Để khắc phục những hạn chế như vậy, các nhà nghiên cứu tại UC San Diego đang hợp nhất nhiều lĩnh vực chuyên môn. Họ đang kết hợp gốm được sử dụng trong khoa học vật liệu truyền thống với các polyme được sử dụng trong hóa học hữu cơ để phát triển các chất điện phân rắn linh hoạt và ổn định, tương thích với các quy trình sản xuất có thể mở rộng. Để giải quyết các vấn đề về tổng hợp vật liệu, nhóm nghiên cứu cũng báo cáo làm thế nào vật liệu điện phân rắn có thể được sản xuất một cách có thể mở rộng bằng cách sử dụng chế tạo một bước mà không cần thêm các bước ủ.

Pin được thiết kế để tái chế

Pin đã sử dụng có chứa các vật liệu có giá trị và hạn chế như lithium và coban có thể được tái sử dụng.

Khi chúng đến hết vòng đời, những pin này cần phải đi đâu đó, nếu không chúng sẽ bị tích lũy theo thời gian như một sự lãng phí.

Tuy nhiên, các phương pháp tái chế ngày nay thường tốn kém, tốn nhiều năng lượng và thời gian và bao gồm các hóa chất độc hại để chế biến. Hơn nữa, các phương pháp này chỉ phục hồi một phần nhỏ vật liệu pin do tỷ lệ tái chế chất điện phân, muối lithium, chất phân tách, phụ gia và vật liệu đóng gói thấp. Phần lớn, điều này là do pin ngày nay không được thiết kế với khả năng tái chế hiệu quả về mặt chi phí ngay từ đầu.

Các nhà nghiên cứu của UC San Diego luôn đi đầu trong nỗ lực thiết kế khả năng tái sử dụng và tái chế thành pin toàn trạng thái vào ngày mai.

Giáo sư nghiên cứu về nano nano của UC San Diego cho biết: “Khả năng tái sử dụng và tái chế hiệu quả về chi phí phải được đưa vào những tiến bộ trong tương lai cần thiết để phát triển pin ở trạng thái rắn, cung cấp mật độ năng lượng cao 500 watt mỗi kg hoặc tốt hơn”. “Điều quan trọng là chúng tôi không mắc phải những lỗi tái chế tương tự được tạo ra với pin lithium ion.”

Pin cũng cần được thiết kế với toàn bộ vòng đời của chúng. Điều này có nghĩa là thiết kế pin có nghĩa là vẫn sử dụng tốt sau khi chúng giảm xuống dưới 60 đến 80 phần trăm công suất ban đầu thường đánh dấu sự kết thúc tuổi thọ hữu ích của pin. Điều này có thể được thực hiện bằng cách khám phá các sử dụng thứ cấp cho pin như lưu trữ cố định hoặc cho nguồn điện khẩn cấp, kéo dài tuổi thọ của chúng trước khi cuối cùng chúng đến các trung tâm tái chế.

Pin toàn trạng thái với chất điện phân hữu cơ hứa hẹn là công nghệ pin tương lai sẽ mang lại mật độ năng lượng cao, an toàn, tuổi thọ cao và khả năng tái chế. Nhưng biến những khả năng này thành hiện thực sẽ đòi hỏi những nỗ lực nghiên cứu chiến lược xem xét các thách thức còn lại, bao gồm khả năng tái chế, có liên quan với nhau như thế nào.

Theo Sciencedaily.