Pin thể rắn: Khi nào "Sản phẩm thay thế" sẽ trở thành "Chủ lực"?

Pin thể rắnđang nổi lên như nguồn năng lượng thế hệ tiếp theo, nhưng pin lai rắn-lỏng có khả năng sẽ được thương mại hóa trước tiên và đóng vai trò là cầu nối quan trọng giữa pin lithium-ion lỏng ngày nay và các hệ thống hoàn toàn rắn trong tương lai.

Pin thể rắn là gì

Pin thể rắn thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy bằng vật liệu rắn đồng thời cho phép mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất an toàn tốt hơn. Cực âm của chúng có thể sử dụng vật liệu năng lượng cao như hợp chất gốc mangan giàu lithium, trong khi cực dương có thể kết hợp nano-silicon và than chì để đẩy mật độ năng lượng lên tới 300–450 Wh/kg.

Chất điện phân rắn mang các ion lithium mà không có nguy cơ rò rỉ và giảm đáng kể khả năng thoát nhiệt.

Cực dương công suất cao hơn và cực âm điện áp cao mang lại tiềm năng cho pin thể rắn để có phạm vi hoạt động dài hơn trên xe điện và cải thiện độ bền trong máy bay không người lái hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng.

Hỗn hợp rắn-lỏng như một sự chuyển tiếp

Bài viết phân biệt pin lithium lỏng, pin lai rắn-lỏng và pin lithium ở trạng thái rắn, nhấn mạnh rằng thiết kế lai là một giai đoạn chuyển tiếp thiết yếu. Pin bán rắn, bán rắn và “rắn” trên thị trường phần lớn thuộc loại pin lai này, chỉ khác nhau ở tỷ lệ chất điện phân lỏng và rắn.

Pin lai rắn-lỏng vẫn chứa một số chất điện phân lỏng, giúp cải thiện khả năng tiếp xúc với các vật liệu hoạt động và giúp dễ dàng sản xuất.

Pin toàn thể rắn chỉ chứa chất điện phân rắn, mang lại độ an toàn nội tại tốt hơn và mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn nhưng hiện nay đang phải đối mặt với những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng hơn.

Rào cản kỹ thuật đối với trạng thái rắn hoàn toàn

Mặc dù nhiều công ty và viện nghiên cứu trên toàn thế giới đang đầu tư vào công nghệ thể rắn, nhưng chưa có pin năng lượng thể rắn công suất lớn nào sánh được với pin lithium-ion lỏng cả về hiệu suất và giá thành. Khó khăn cốt lõi nằm ở bề mặt tiếp xúc rắn-rắn, trong đó các vật liệu điện phân cứng khiến cho việc duy trì tiếp xúc chặt chẽ với các điện cực trong quá trình đạp xe và thay đổi âm lượng trở nên khó khăn.

Các hướng hiện tại bao gồm pin thể rắn polymer, màng mỏng, sunfua và oxit, mỗi loại đều có những ưu điểm và hạn chế riêng biệt.

Ví dụ, tế bào trạng thái rắn polyme gặp khó khăn ở nhiệt độ phòng và với cực âm điện áp cao, trong khi hệ thống sunfua rất nhạy cảm với không khí và đòi hỏi các điều kiện sản xuất khắt khe.

Chiến lược kiên cố hóa tại chỗ

Để khắc phục các vấn đề về giao diện trong khi tận dụng cơ sở hạ tầng lithium-ion hiện có, các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp hóa rắn tại chỗ cho các chất điện phân lai rắn-lỏng. Trong quá trình lắp ráp tế bào, tiền chất lỏng đảm bảo khả năng làm ướt và tiếp xúc tốt; sau đó, các phản ứng hóa học hoặc điện hóa chuyển đổi toàn bộ hoặc một phần chất lỏng này thành chất điện phân rắn bên trong tế bào.

Phương pháp này cải thiện sự tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân, ngăn chặn sự phát triển dendrite lithium và cân bằng hiệu suất an toàn, điện áp cao và sạc nhanh.

Nó cũng có thể tái sử dụng phần lớn quy trình sản xuất lithium-ion lỏng hiện tại, giúp các nhà sản xuất mở rộng quy mô nhanh hơn và giảm chi phí.

Định hướng phát triển trong tương lai

Các chuyên gia hy vọng rằng pin lithium thể rắn sẽ cần khoảng 5 năm nữa trước khi được thương mại hóa trên quy mô lớn thực sự, vì vậy pin năng lượng rắn-lỏng lai vẫn là một lộ trình thực tế trong thời gian ngắn. Để đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa, bài viết nhấn mạnh sự cần thiết phải có sự tiến bộ phối hợp về vật liệu, thiết kế tế bào, sản xuất và tiêu chuẩn.

Các ưu tiên bao gồm: phát triển các chất điện phân rắn có độ dẫn ion cân bằng, độ ổn định và khả năng xử lý; kết hợp các điện cực năng lượng cao như cực âm niken cao và cực dương silicon-cacbon hoặc kim loại lithium; và tích hợp mô phỏng kỹ thuật số với sản xuất thông minh.

Ngành công nghiệp được khuyến khích xây dựng chuỗi cung ứng mạnh mẽ cho các nguyên liệu chính, đầu tư vào thiết bị tự động, cải tiến hệ thống thử nghiệm và đánh giá, đồng thời từng bước phát triển từ hỗn hợp rắn-lỏng. pin lithium-ionhướng tới pin kim loại lithium ở trạng thái rắn hoàn toàn.