Mr. Macho
Writer
Pin thể rắn mở ra những đột phá công nghệ mới. Chỉ mất 10 phút để sạc đầy.
Và sau 6.000 chu kỳ sạc và xả, dung lượng hiệu dụng của pin vẫn là 80%, tốt hơn bất kỳ loại pin dạng mềm nào trên thị trường.
Công nghệ mới này đến từ Harvard và được tạo ra bởi một nhóm toàn Trung Quốc. Bài báo đã được xuất bản trên tạp chí Nature Material, một tạp chí phụ của Nature.
Chụp màn hình bài báo cho thấy các tác giả toàn là người Trung Quốc
Đây là lý do tại sao pin lithium-ion ngày nay, đặc biệt là pin lithium-ion lỏng, thường có giới hạn trên nếu muốn tăng mật độ năng lượng. Do đó, pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn luôn được coi là dạng pin lithium-ion tối ưu và là hướng phát triển của ngành hiện nay.
Một trong những vật liệu điện cực âm phổ biến nhất cho pin thể rắn là lithium, có dung lượng riêng theo lý thuyết lên tới 3860mAh/g và có thế điện hóa thấp nhất (-3,04V), có khả năng hấp thụ và giải phóng electron hiệu quả hơn và có thể cũng có thể được sử dụng với nhiều loại vật liệu điện cực dương hơn.
Silicon, một vật liệu điện cực âm khác, mặc dù có công suất riêng về năng lượng cao hơn (4200mAh/g), nhưng sẽ trải qua những thay đổi âm lượng mạnh mẽ trong quá trình sạc và xả, điều này có thể dễ dàng dẫn đến hỏng pin.
Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi sử dụng các electron lithium làm điện cực âm là lithium dendrites , đây cũng là thủ phạm gây ra những hậu quả nghiêm trọng như hỏng chập mạch pin và thoát nhiệt.
Mặc dù pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn, có tác dụng ức chế nhất định đối với sự phát triển của đuôi gai lithium, nhưng tác dụng ức chế của các chất điện phân thể rắn khác nhau là khác nhau và vẫn chưa có kết luận nào về chất điện phân thể rắn nào là giải pháp tối ưu.
Hơn nữa, sử dụng loại chất điện phân rắn nào cũng là một trong những hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay về pin thể rắn.
Về vấn đề này, nhóm nghiên cứu của bài báo Harvard đã sử dụng một phương pháp độc đáo: thêm một lớp bảo vệ bằng vật liệu tổng hợp bao gồm silicon (Si) và than chì (G) ở kích thước micron trên cực dương kim loại lithium, từ đó mang lại hiệu suất tốt hơn..
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng niken coban mangan (NMC83) và kim loại lithium được bảo vệ bởi vật liệu composite SiG để tạo ra bộ pin thể rắn có kích thước 28X35 mm vuông, lớn hơn nhiều so với pin nút dùng trong các phòng thí nghiệm thông thường (khoảng 10 lần - 20 lần).
Dưới áp suất hoạt động 25MPa, pin thể rắn được luân chuyển ở tốc độ sạc và xả 5C với công suất ban đầu là 125mAh/g.
Như trong hình, tỷ lệ duy trì dung lượng là 92% sau 2.000 chu kỳ sạc và xả, 88% sau 3.000 chu kỳ và vẫn là 80% sau 6.000 chu kỳ. Hiệu suất này tốt hơn các loại pin gói mềm khác trên thị trường.
Hơn nữa, không tính đến kẹp áp suất, mật độ năng lượng của pin gói mềm đã đạt tới 218Wh/kg, vượt quá mật độ năng lượng của hầu hết các loại pin lithium-ion phổ thông hiện nay.
Các tác giả bài báo cho rằng trong tương lai, mật độ năng lượng có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách giảm độ dày của dải phân cách, giảm áp suất làm việc và tăng tải cực âm. Dữ liệu trên đã chứng minh đầy đủ hiệu suất cao của bộ pin thể rắn sau khi bổ sung vật liệu composite SiG.
Trên thực tế, việc cấy một lớp giao diện điện phân rắn nhân tạo (SEI) vào pin thể rắn để cải thiện hiệu suất của pin thể rắn không có gì mới, vậy tại sao những vật liệu SiG như vậy lại có thể đạt được những đột phá về hiệu suất?
Nói cách khác, làm thế nào để tấm hoặc tước lithium trên cực dương của pin nhanh chóng, đồng đều và ổn định là chìa khóa quyết định liệu pin có thể được thương mại hóa hay không.
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc bổ sung vật liệu tổng hợp bao gồm silicon có kích thước micron vào cực dương lithium có thể đáp ứng chính xác yêu cầu này.
Bài báo phát hiện qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) và các công nghệ khác rằng trong chu kỳ pin, các ion lithium chỉ phản ứng với silicon nông:
Đồng thời, hình dạng của các hạt silicon không thay đổi đáng kể:
Điều này có nghĩa là các hạt silicon có kích thước micron sẽ không giãn nở do phản ứng silicide và phản ứng kết dính sẽ bị ức chế, đồng thời chúng sẽ không tạo ra môi trường thuận lợi cho sự phát triển của sợi nhánh lithium hoặc ức chế sự phát triển của lithium nhánh.
Hơn nữa, trong vật liệu này, lớp silicon-graphite cung cấp một giàn giáo 3D hoạt động. Vùng khe hở giữa các hạt có lợi cho việc chèn và khử xen kẽ các ion lithium, có thể tăng công suất điện cực một cách hiệu quả và tăng thêm công suất tổng thể của pin.
Tác giả bài báo đã sử dụng chất điện phân sunfua và pin thể rắn làm bằng kim loại lithium được bảo vệ bằng vật liệu composite SiG, dung lượng phóng điện đạt 5600mAh/G, cao hơn nhiều so với dung lượng lý thuyết là 4200mAh/G.
Và do quá trình mạ và tước ion lithium có thể diễn ra nhanh chóng trên bề mặt silicon phẳng nên pin chỉ mất khoảng 10 phút để sạc đầy.
Ngoài ra, bài báo còn đề xuất một chuẩn đo mới cho phản ứng kết dính của vật liệu: thành phần kết dính trên mỗi Kcrit trên một đơn vị mô đun hiệu dụng (Keff).
Bài báo chỉ ra rằng mỗi vật liệu có một mô đun tới hạn tương ứng, ngoài mô đun này, phản ứng kết dính sẽ bị ngăn chặn một cách hiệu quả. Do đó, khi lựa chọn vật liệu cho pin thể rắn, người ta có thể chọn loại có mô đun tới hạn thấp hơn.
Tác giả đã phân tích 59.524 mục vật liệu và nhận thấy ngoài silicon, hợp kim bạc và magie cũng là những vật liệu làm cực dương đầy triển vọng.
Trong số đó, Ye Luhan và Lu Yang đều có những đóng góp ngang nhau cho bài viết này.
Ye Luhan nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Harvard vào năm 2022. Mối quan tâm nghiên cứu của ông bao gồm pin thể rắn, cực dương kim loại lithium và điện hóa học.
Lu Yang cũng nhận được bằng sau đại học về kỹ thuật vật liệu tại Đại học Harvard vào năm 2022, trong thời gian đó ông cũng giữ chức vụ trợ lý nghiên cứu.
Lu Yang tốt nghiệp Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong với bằng cử nhân về công nghệ đóng gói điện tử, bằng thạc sĩ và tiến sĩ của anh đều được thực hiện tại Đại học Washington ở St. Louis, chuyên ngành kỹ thuật điện và khoa học và kỹ thuật vật liệu.
Tác giả thứ ba, Wang Yichao, tốt nghiệp Đại học Thanh Hoa năm 2017 với bằng cử nhân khoa học vật liệu, sau đó vào thẳng Harvard và nhận bằng tiến sĩ khoa học vật liệu vào năm 2022. Anh hiện là trợ lý nghiên cứu tại Trường Cao học Nghệ thuật và Khoa học của Đại học Harvard. .
Tác giả thứ tư, Li Jianyuan, là học giả thỉnh giảng tại phòng thí nghiệm của Li Xin.
Tác giả tương ứng của bài viết này, Li Xin, hiện là phó giáo sư khoa học vật liệu tại Harvard và là nhà nghiên cứu chính của phòng thí nghiệm.
Li Xin tốt nghiệp Đại học Nam Kinh năm 2003 với chuyên ngành vật lý, sau đó lấy bằng Tiến sĩ về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Pennsylvania. Ông cũng từng là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Caltech và MIT.
Li Xin gia nhập Harvard vào năm 2015 và sau đó thành lập Phòng thí nghiệm Li Xin, trước đó anh đã phát triển một loại pin thể rắn có vòng đời 10.000 lần và sạc đầy trong 3 phút.
Không chỉ có thành tích trong nghiên cứu học thuật mà vào năm 2021, Li Xin còn đồng sáng lập Adden Energy cùng với Ye Luhan, một trong những tác giả của bài báo này và những người khác, tập trung vào việc thúc đẩy kết quả thí nghiệm vào sản xuất hàng loạt.
Hiện tại, Ye Luhan là CTO của Adden Energy, còn Lu Yang là nhà khoa học về polymer và pin tại Adden Energy.
Công nghệ vật liệu SiG nói trên cũng đã được cấp phép cho Adden Energy để thúc đẩy sản xuất hàng loạt công nghệ này. Theo Li Xin, công ty đã mở rộng quy mô công nghệ để tạo ra pin dạng túi có kích thước bằng điện thoại thông minh.
Đối với bước đột phá công nghệ mới này, một số cư dân mạng cho rằng nó rất tốt. Ông tin rằng điều này đang đi đúng hướng. Phạm vi pin không quá quan trọng, thời gian sạc mới là điều quan trọng.
Tuy nhiên, một số cư dân mạng chỉ ra rằng thời gian sạc ngắn như vậy đồng nghĩa với việc năng lượng sạc sẽ cao hơn.
Ví dụ, để sạc đầy pin có công suất 100kWh trong vòng 5 phút cần có công suất sạc 1,2MW, chưa kể hiện tượng mất mạch, cơ sở hạ tầng sạc hiện tại không thể đáp ứng được nhu cầu đó nên trạm sạc chậm với thiết bị quang điện là giải pháp tốt hơn.
Bạn nghĩ gì về công nghệ này? Liệu nó có thể thay đổi ngành công nghiệp pin điện trong tương lai?
Và sau 6.000 chu kỳ sạc và xả, dung lượng hiệu dụng của pin vẫn là 80%, tốt hơn bất kỳ loại pin dạng mềm nào trên thị trường.
Công nghệ mới này đến từ Harvard và được tạo ra bởi một nhóm toàn Trung Quốc. Bài báo đã được xuất bản trên tạp chí Nature Material, một tạp chí phụ của Nature.
Loại pin thể rắn nào?
Hầu hết các loại pin lithium-ion phổ biến hiện nay đều có than chì làm điện cực âm, ưu điểm là công nghệ này đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên nhược điểm là dung lượng riêng theo lý thuyết không cao, ở mức 372mAh/g và sẽ có lẽ sẽ thấp hơn sau khi thương mại hóa.
Một trong những vật liệu điện cực âm phổ biến nhất cho pin thể rắn là lithium, có dung lượng riêng theo lý thuyết lên tới 3860mAh/g và có thế điện hóa thấp nhất (-3,04V), có khả năng hấp thụ và giải phóng electron hiệu quả hơn và có thể cũng có thể được sử dụng với nhiều loại vật liệu điện cực dương hơn.
Silicon, một vật liệu điện cực âm khác, mặc dù có công suất riêng về năng lượng cao hơn (4200mAh/g), nhưng sẽ trải qua những thay đổi âm lượng mạnh mẽ trong quá trình sạc và xả, điều này có thể dễ dàng dẫn đến hỏng pin.
Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi sử dụng các electron lithium làm điện cực âm là lithium dendrites , đây cũng là thủ phạm gây ra những hậu quả nghiêm trọng như hỏng chập mạch pin và thoát nhiệt.
Hơn nữa, sử dụng loại chất điện phân rắn nào cũng là một trong những hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay về pin thể rắn.
Về vấn đề này, nhóm nghiên cứu của bài báo Harvard đã sử dụng một phương pháp độc đáo: thêm một lớp bảo vệ bằng vật liệu tổng hợp bao gồm silicon (Si) và than chì (G) ở kích thước micron trên cực dương kim loại lithium, từ đó mang lại hiệu suất tốt hơn..
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng niken coban mangan (NMC83) và kim loại lithium được bảo vệ bởi vật liệu composite SiG để tạo ra bộ pin thể rắn có kích thước 28X35 mm vuông, lớn hơn nhiều so với pin nút dùng trong các phòng thí nghiệm thông thường (khoảng 10 lần - 20 lần).
Như trong hình, tỷ lệ duy trì dung lượng là 92% sau 2.000 chu kỳ sạc và xả, 88% sau 3.000 chu kỳ và vẫn là 80% sau 6.000 chu kỳ. Hiệu suất này tốt hơn các loại pin gói mềm khác trên thị trường.
Trên thực tế, việc cấy một lớp giao diện điện phân rắn nhân tạo (SEI) vào pin thể rắn để cải thiện hiệu suất của pin thể rắn không có gì mới, vậy tại sao những vật liệu SiG như vậy lại có thể đạt được những đột phá về hiệu suất?
Chất liệu chính: các hạt silicon có kích thước micron
Như chúng ta đã biết, quá trình sạc và xả của pin lithium-ion là quá trình cực dương của pin liên tục tăng và giảm các ion lithium (hoặc xen kẽ và khử xen kẽ).Nói cách khác, làm thế nào để tấm hoặc tước lithium trên cực dương của pin nhanh chóng, đồng đều và ổn định là chìa khóa quyết định liệu pin có thể được thương mại hóa hay không.
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc bổ sung vật liệu tổng hợp bao gồm silicon có kích thước micron vào cực dương lithium có thể đáp ứng chính xác yêu cầu này.
Bài báo phát hiện qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) và các công nghệ khác rằng trong chu kỳ pin, các ion lithium chỉ phản ứng với silicon nông:
Hơn nữa, trong vật liệu này, lớp silicon-graphite cung cấp một giàn giáo 3D hoạt động. Vùng khe hở giữa các hạt có lợi cho việc chèn và khử xen kẽ các ion lithium, có thể tăng công suất điện cực một cách hiệu quả và tăng thêm công suất tổng thể của pin.
Tác giả bài báo đã sử dụng chất điện phân sunfua và pin thể rắn làm bằng kim loại lithium được bảo vệ bằng vật liệu composite SiG, dung lượng phóng điện đạt 5600mAh/G, cao hơn nhiều so với dung lượng lý thuyết là 4200mAh/G.
Và do quá trình mạ và tước ion lithium có thể diễn ra nhanh chóng trên bề mặt silicon phẳng nên pin chỉ mất khoảng 10 phút để sạc đầy.
Ngoài ra, bài báo còn đề xuất một chuẩn đo mới cho phản ứng kết dính của vật liệu: thành phần kết dính trên mỗi Kcrit trên một đơn vị mô đun hiệu dụng (Keff).
Bài báo chỉ ra rằng mỗi vật liệu có một mô đun tới hạn tương ứng, ngoài mô đun này, phản ứng kết dính sẽ bị ngăn chặn một cách hiệu quả. Do đó, khi lựa chọn vật liệu cho pin thể rắn, người ta có thể chọn loại có mô đun tới hạn thấp hơn.
Giới thiệu về tác giả bài viết
Nhóm của bài viết này là một nhóm toàn Trung Quốc và năm tác giả đều đến từ Phòng thí nghiệm Li Xin tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Đại học Harvard.Trong số đó, Ye Luhan và Lu Yang đều có những đóng góp ngang nhau cho bài viết này.
Ye Luhan nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Harvard vào năm 2022. Mối quan tâm nghiên cứu của ông bao gồm pin thể rắn, cực dương kim loại lithium và điện hóa học.
Tác giả thứ ba, Wang Yichao, tốt nghiệp Đại học Thanh Hoa năm 2017 với bằng cử nhân khoa học vật liệu, sau đó vào thẳng Harvard và nhận bằng tiến sĩ khoa học vật liệu vào năm 2022. Anh hiện là trợ lý nghiên cứu tại Trường Cao học Nghệ thuật và Khoa học của Đại học Harvard. .
Tác giả thứ tư, Li Jianyuan, là học giả thỉnh giảng tại phòng thí nghiệm của Li Xin.
Tác giả tương ứng của bài viết này, Li Xin, hiện là phó giáo sư khoa học vật liệu tại Harvard và là nhà nghiên cứu chính của phòng thí nghiệm.
Li Xin gia nhập Harvard vào năm 2015 và sau đó thành lập Phòng thí nghiệm Li Xin, trước đó anh đã phát triển một loại pin thể rắn có vòng đời 10.000 lần và sạc đầy trong 3 phút.
Không chỉ có thành tích trong nghiên cứu học thuật mà vào năm 2021, Li Xin còn đồng sáng lập Adden Energy cùng với Ye Luhan, một trong những tác giả của bài báo này và những người khác, tập trung vào việc thúc đẩy kết quả thí nghiệm vào sản xuất hàng loạt.
Hiện tại, Ye Luhan là CTO của Adden Energy, còn Lu Yang là nhà khoa học về polymer và pin tại Adden Energy.
Công nghệ vật liệu SiG nói trên cũng đã được cấp phép cho Adden Energy để thúc đẩy sản xuất hàng loạt công nghệ này. Theo Li Xin, công ty đã mở rộng quy mô công nghệ để tạo ra pin dạng túi có kích thước bằng điện thoại thông minh.
Tuy nhiên, một số cư dân mạng chỉ ra rằng thời gian sạc ngắn như vậy đồng nghĩa với việc năng lượng sạc sẽ cao hơn.
Ví dụ, để sạc đầy pin có công suất 100kWh trong vòng 5 phút cần có công suất sạc 1,2MW, chưa kể hiện tượng mất mạch, cơ sở hạ tầng sạc hiện tại không thể đáp ứng được nhu cầu đó nên trạm sạc chậm với thiết bị quang điện là giải pháp tốt hơn.
Bạn nghĩ gì về công nghệ này? Liệu nó có thể thay đổi ngành công nghiệp pin điện trong tương lai?
