Tăng mật độ dòng điện và giảm thời gian sạc là chủ đề hàng đầu tại Triển lãm và Hội thảo quốc tế về pin Lithium-ion năm nay. 

Hội nghị được tổ chức trực tuyến và quy tụ mọi nơi trên toàn cầu đại diện cho ngành công nghiệp, các tổ chức tài trợ của chính phủ, các trường đại học và các phòng thí nghiệm quốc gia.

Hội thảo về ứng dụng pin Lithium-ion trong đời sống

Một loạt các chủ đề trong hội nghị lần này đã được trình bày bao gồm các công nghệ pin Lithium-ion và ngoài Lithium-ion ứng dụng cho xe điện, thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới.

Tiến sĩ Halle Cheeseman, Giám đốc chương trình tại Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Hoa Kỳ – Năng lượng (ARPA-E) đề cao ý nghĩa nghiên cứu và phát triển về sạc pin nhanh, cho biết: “Chúng ta nên bắt đầu chú trọng thời gian sạc pin tương đồng như năng lượng mật độ, vòng đời chu kỳ và chi phí. Thời gian sạc rất quan trọng vì được coi là phạm vi hoạt động và có khả năng lợi thế rất nhiều về chi phí.”

Thời gian sạc là một vấn đề quy mô, bắt đầu từ cấp độ nguyên tử và chuyển sang các hạt, điện cực, tế bào và gói. Có thể có những hạn chế liên quan đến sự vận chuyển ion của các ion liti trong điện cực cũng như trong chất điện phân. Khi pin Lithium-ion già đi, việc vận chuyển có thể bị hạn chế bởi lớp bề mặt điện trở trên cực âm sau khi tái tạo nguyên tử, hoặc từ lớp bề mặt liên pha chất điện phân (SEI) đang phát triển trên cực dương. Liên quan đến SEI ngày càng tăng, sự cạn kiệt các ion lithium từ chất điện phân có thể ức chế thêm khả năng tích điện. Do đó, vật liệu điện cực dẫn điện tử-ion hỗn hợp tốt và chất điện phân có tính dẫn điện ion cao và ổn định là những tiêu chí ban đầu quan trọng cho một tế bào pin sạc nhanh. 

Để tạo tiền đề cho sự hiểu biết của chúng ta về sạc nhanh và những hạn chế, Tiến sĩ Andrew Colclasure của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia ở Golden, Colorado đã trình bày các mô hình vận chuyển điện cực và quy mô điện cực đã được kiểm chứng thực nghiệm. Độ dày điện cực là một sự cân bằng cơ bản trong thế giới pin. Khi độ dày điện cực tăng, mật độ năng lượng tăng vì tỷ lệ tương đối của các thành phần không hoạt động như bộ thu dòng và bộ phân tách giảm. Mặt khác, khi độ dày điện cực tăng lên, khoảng cách mà các ion lithium phải di chuyển để sạc hoặc phóng điện hoàn toàn cũng vậy. Colclasure tập trung vào ba hạn chế của điện cực về điện tích nhanh khi các tế bào kiểu EV năng lượng cao thường sử dụng cực âm oxit nhiều lớp giàu niken và cực dương bằng than chì, cụ thể là, (i) mở rộng quá điện thế khi mật độ dòng điện bình phương, (ii) sự nứt hạt thứ cấp cực âm, và (iii) lớp mạ kim loại liti trên bề mặt cực dương. Ông cũng lưu ý rằng, đối với chất điện phân, tính đồng nhất là chìa khóa vì các vùng có nồng độ ion lithium thấp dẫn đến các phần cực dương không được sử dụng hoặc sử dụng kém trong khi các vùng có nồng độ cao có thể dẫn đến lớp mạ lithium. Mạ Lithium nổi tiếng là nguồn làm giảm tuổi thọ của tế bào nhưng cũng gây ra hiện tượng chập mạch nguy hiểm có thể dẫn đến cháy pin Lithium-ion.

Hoạt động của Colclasure

Colclasure hoạt động như một phần của chương trình Đánh giá Pin Lithium-ion eXtreme (X×CEL) do Bộ Năng lượng tài trợ với sự tham gia của một số phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ bao gồm Argonne, Idaho và Lawrence Berkeley. Mô hình của ông được ghép nối với dữ liệu thử nghiệm từ các tế bào NMC532//graphite được sản xuất tại cơ sở Phân tích, Mô hình hóa và Tạo mẫu Tế bào (CAMP) đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở phía Tây Nam Chicago. Trong số nhiều kết quả được công bố của họ, nhóm X×CEL đã chỉ ra rằng việc tăng nhiệt độ, giảm độ cong và cải thiện vận chuyển chất điện giải có thể cải thiện đáng kể hiệu suất sạc nhanh. Ngược lại, tăng độ xốp và tăng tỷ lệ âm-dương (N/P) không đặc biệt hữu ích.

Cũng về chủ đề cải thiện thời gian sạc pin của các tế bào dựa trên Carbon-anode, Giáo sư Neil Dasgupta từ Đại học Michigan đã trình bày công trình nghiên cứu gần đây của nhóm ông về các điện cực graphite có hoa văn laze đặt hàng. Ông đã chỉ ra rằng quá trình mạ liti xảy ra trên bề mặt điện cực graphit trong một tế bào than chì NMC532 thông thường sau khi sạc 4C (15 phút) trong khi tế bào giống hệt với graphit có lỗ không cho thấy bằng chứng cho việc mạ liti. 

Theo cách liên quan đến các khái niệm được trình bày bởi Colclasure, Dasgupta đã trình bày kết quả mô hình cho thấy rằng – đối với điện cực graphite thông thường – nồng độ ion lithium giảm nhanh chóng từ phía phân tách của điện cực về phía bộ thu dòng trong khi nồng độ không đồng nhất ít hơn nhiều điện cực sau khi tạo mẫu lỗ bằng laser. Vượt ra ngoài graphite, Dasgupta đã trình bày các kết quả gần đây về vật liệu tổng hợp graphite/carbon cứng lại. Các vật liệu anot này tận dụng khả năng tốc độ cao hơn của cacbon cứng với hiệu suất đồng tổng hợp cao hơn của than chì.

Lithium iron phosphate (LFP) đang có một cái gì đó của thời kỳ phục hưng khi lĩnh vực pin nhìn (quay trở lại) về phía các nhà máy hóa học cathode không có coban và thậm chí không có niken. A123 Systems, kỷ niệm 20 năm thành lập, đã thảo luận về các sản phẩm LFP mới nhất của họ. So với ‘Nanophosphate’, Tiến sĩ Tomasz Poznar của A123 mô tả ‘Ultra Phosphate’ có hình dạng hạt hình cầu hơn, kích thước hạt nhỏ hơn, mật độ vòi cao hơn và trở kháng thấp hơn. Một ứng dụng quan trọng của các tế bào có thể chấp nhận mật độ dòng điện cao là xe hybrid nhẹ, trong đó Poznan lưu ý rằng chúng có các gói LFP 12 V và 48 V và có thể hỗ trợ sạc nhanh một phần lên đến 50C. Mặc dù chúng hoạt động dựa trên các công nghệ khác như NMC, silicon và pin thể rắn, nhưng LFP là lựa chọn của chúng để có công suất cao và sạc nhanh.

Các chất hóa học có trong pin Lithium

Các chất hóa học tế bào thông thường như NMC//graphite và LFP//graphite không phải là lý do cuộc trò chuyện tại cuộc họp. Tiến sĩ Cheeseman từ ARPA-E quan tâm đến việc sạc nhanh trong bối cảnh pin kim loại lithium, một vấn đề đang được thảo luận. Ông lưu ý rằng việc nhận ra lợi thế về mật độ năng lượng lý thuyết của cực dương kim loại lithium sẽ khó có thể gây ảnh hưởng đến xe điện trừ khi chúng có khả năng hỗ trợ mật độ dòng điện cao và do đó sạc nhanh. Chương trình của ông đang nhắm mục tiêu sạc nhanh trong vòng dưới 30 phút, lý tưởng là 5–10 phút.

Để thay thế cho lithium, Giáo sư Yong-Sheng Hu đã giải thích về công nghệ pin natri-ion, đề cập đến các điện cực như natri vanadi (fluoro) photphat, chất tương tự màu xanh Prusse và carbon cứng đều tạo ra sự quan tâm khi có thể sạc nhanh natri- vật chủ ion. Hu đã thảo luận về HiNa Battery, được thành lập vào năm 2017, đang sản xuất các tế bào Ah được tuyên bố là duy trì phần lớn dung lượng có thể sử dụng được ở 5C (12 phút) và thậm chí 10C (6 phút) trong khi vẫn có thể quay vòng trong điều kiện môi trường xung quanh như 80°C do sự ổn định nâng cao của muối điện giải natri.

Sạc nhanh vượt ra ngoài vật liệu và hóa học điện phân và thậm chí vượt ra ngoài kỹ thuật điện cực và tế bào. Ngày càng có nhiều công việc trên các giao thức sạc khác nhau để giảm thời gian sạc pin trong khi duy trì tuổi thọ chu kỳ và hoạt động an toàn. Có lẽ giao thức sạc đơn giản nhất là áp dụng dòng điện không đổi cho đến khi pin được sạc đầy. Trong thực tế, ngay cả các hệ thống quản lý pin đơn giản cũng sử dụng một phương pháp được gọi là dòng điện không đổi – điện áp không đổi hoặc CCCV. Trong sạc CCCV, dòng điện không đổi được áp dụng cho đến khi pin đạt đến điện áp mục tiêu, có lẽ là 4,2V. Sau đó, tế bào được giữ ở điện áp đó và tiếp tục sạc khi dòng điện giảm dần theo cấp số nhân. Phương pháp CCCV ngăn tế bào đạt đến điện áp cao không thể chấp nhận được có thể dẫn đến suy giảm nhanh hoặc vấn đề an toàn.

Giáo sư Rachid Yazami của KVI Battery Intelligence đã báo cáo công trình của mình về một kỹ thuật mà ông gọi là ‘Đo điện áp phi tuyến tính’ không chỉ dựa vào điện áp hoặc trạng thái sạc mà còn dựa vào dòng điện, tốc độ thay đổi dòng điện và trạng thái – sức khỏe của pin để thiết lập một giao thức sạc nhanh. Mục tiêu của giao thức sạc nhanh thông qua quản lý pin là giảm thiểu sự sinh nhiệt, tránh mạ lithium và giảm thiểu sự xuống cấp của vật liệu. Đối với những người muốn tìm hiểu sâu hơn, chúng tôi khuyên bạn nên đánh giá truy cập mở gần đây từ Đại học Hoàng gia London, Đại học Thanh Hoa và Shell.