Pin lithium polymer đang dẫn đầu cuộc đua pin thể rắn?
| Jerry Huang
Ghi chú của biên tập viên: Có bốn loại chất điện phân cho pin lithium thể rắn: polymer, oxit, sunfua và halogenua, mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt:
Chất điện phân lithium polymer
Sử dụng vật liệu polymer làm chất điện phân, chúng mang lại cả tính linh hoạt và độ dẫn ion cao, khiến chúng trở thành giải pháp chuyển tiếp phù hợp cho pin bán rắn. Chúng thể hiện khả năng gia công tốt, mặc dù độ ổn định chu kỳ dài hạn vẫn cần được kiểm chứng.
Chất điện phân oxit liti
Dựa trên các vật liệu như oxit liti, các chất điện giải này có giá thành thấp hơn và độ ổn định tốt nhưng lại có độ dẫn ion tương đối thấp.
Chất điện phân Liti sunfua
Tập trung vào các hợp chất lithi sunfua, các chất điện giải này có độ dẫn điện cao ở nhiệt độ phòng và khả năng tương thích giao diện tuyệt vời, đưa chúng trở thành công nghệ triển vọng nhất về mặt thương mại trong số tất cả các công nghệ. Tuy nhiên, vật liệu sunfua lại có nhược điểm là độ ổn định hóa học kém và chi phí sản xuất cao.
Chất điện phân Lithium Halide
Các chất điện phân rắn halide thể hiện độ dẫn điện cao và khả năng chống oxy hóa, nhưng hiện vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với triển vọng thương mại hóa chưa rõ ràng.
Đặc điểm chung
Pin thể rắn toàn phần thay thế chất điện phân lỏng truyền thống bằng vật liệu bột vô cơ, giúp tăng cường đáng kể độ an toàn và mật độ năng lượng. Tuy nhiên, các phương pháp kỹ thuật khác nhau lại có sự khác biệt đáng kể về chi phí và độ hoàn thiện quy trình. Ví dụ, phương pháp sử dụng sunfua có độ dẫn điện cao nhưng lại có độ ổn định hóa học kém, trong khi phương pháp sử dụng polymer lại gặp khó khăn về hiệu suất chu kỳ sạc/xả. Một số chuyên gia cho rằng việc sản xuất thương mại quy mô lớn pin thể rắn toàn phần cuối cùng sẽ dựa vào các giải pháp từ ngành công nghiệp bán dẫn, bao gồm lắng đọng màng mỏng, kiểm tra chính xác ở cấp độ dây chuyền sản xuất và hệ thống chân không, cũng như các giải pháp khác như cấu trúc màng mỏng và vi mô-nano. Người ta tin rằng quá trình này sẽ còn mất từ bảy đến mười năm nữa.
Công nghệ pin thể rắn hiện đang trải qua một giai đoạn chuyển đổi quan trọng từ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm sang công nghiệp hóa, và điều này rất cần một sự cải tiến có hệ thống về khung đánh giá. Giai đoạn trong phòng thí nghiệm chủ yếu tập trung vào các chỉ số hiệu suất điện hóa (như mật độ năng lượng, tuổi thọ chu kỳ và khả năng tốc độ), trong khi công nghệ pin thể rắn quy mô công nghiệp đòi hỏi phải thiết lập các tiêu chí đánh giá đa chiều:
Đánh giá mở rộng: Các ứng dụng công nghiệp phải bao gồm các yếu tố mang tính hệ thống như: khả năng mở rộng và tính khả thi (bao gồm khả năng tương thích quy trình, kiểm soát năng suất, v.v.), mức độ trưởng thành của chuỗi cung ứng (bao gồm sự ổn định của nguyên liệu thô quan trọng, khả năng hỗ trợ thiết bị chuyên dụng, v.v.) và tổng chi phí vòng đời (bao gồm thu mua nguyên liệu thô, sản xuất, tái chế, v.v.).
Tối ưu hóa chi phí công nghệ: Công nghiệp hóa đòi hỏi sự cân bằng tối ưu giữa dữ liệu kỹ thuật và chi phí, bao gồm sự cân bằng động giữa hiệu suất điện hóa và chi phí sản xuất, lựa chọn vật liệu và khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng, sự cân bằng giữa độ phức tạp của quy trình sản xuất và khả năng mở rộng quy mô.
Đánh giá có hệ thống: Tuân thủ các yêu cầu chính bao gồm tính nhất quán trong sản xuất hàng loạt (tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng 6σ), chứng nhận an toàn (ví dụ: tuân thủ UL 9540A và các tiêu chuẩn quốc tế khác) và thiết kế công suất của dây chuyền sản xuất đơn ≥2GWh, v.v.
Giáo sư Guo có quan điểm khác về lý do tại sao lithium polymer lại thắng thế so với chất điện phân lithium sulfide trong cuộc đua pin thể rắn. Chúng ta hãy cùng xem nghiên cứu từ nhóm của Xin Guo. Xin chân thành cảm ơn những nỗ lực tuyệt vời của tất cả các nhà nghiên cứu.
Tóm tắt
Pin thể rắn (SSB) hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng bằng cách cung cấp độ an toàn cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ chu kỳ được cải thiện so với pin lithium-ion thông thường. Trong số các chất điện phân rắn khác nhau, polyme nổi bật nhờ sự kết hợp độc đáo giữa khả năng xử lý, tính đàn hồi cơ học và tính linh hoạt hóa học. Bài đánh giá này khám phá lý do tại sao polyme có tiềm năng dẫn đầu cuộc đua hướng tới pin thể rắn thương mại. Những ưu điểm vốn có của chúng—chẳng hạn như tiếp xúc giao diện vượt trội với điện cực, độ dẫn ion có thể điều chỉnh và khả năng tương thích với các phương pháp sản xuất quy mô lớn—cũng như những thách thức kỹ thuật chính mà chúng phải đối mặt, bao gồm độ ổn định nhiệt hạn chế, cửa sổ điện hóa hẹp và sự suy thoái giao diện, đều được xem xét. Nghiên cứu này nêu bật các giải pháp mới nổi từ các nghiên cứu gần đây, bao gồm thiết kế phân tử polyme, vật liệu composite polyme-gốm và các chiến lược trùng hợp tại chỗ. Trái ngược với các hệ thống oxit và sunfua, vốn phải đối mặt với những rào cản đáng kể về chi phí, khả năng sản xuất và tích hợp, chất điện phân dựa trên polyme mang lại một con đường thực tế và khả thi về mặt kinh tế để triển khai quy mô lớn. Với những tiến bộ liên tục trong thiết kế vật liệu và xử lý công nghiệp, polyme không chỉ cạnh tranh mà còn đang dẫn đầu quá trình chuyển đổi sang pin thể rắn thế hệ tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
https://doi.org/10.1002/advs.202510481