- Bài viết
- 3,180
- Xu
- 34,665
Pin thể rắn có thể coi là "bước đột phá" về công nghệ tiếp theo sau mrna tech, bởi vì nó mở ra nhiều không gian phát triển hơn cho xu hướng xanh hóa và năng lượng tái tạo của Thế Giới
Định nghĩa:
Pin thể rắn: là một loại công nghệ pin tiên tiến sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc gel có trong pin truyền thống. Pin thể rắn có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng do có nhiều ưu điểm khác nhau so với pin lithium-ion thông thường. Một số tính năng và lợi ích chính của pin thể rắn bao gồm:
Ưu điểm:
+ An toàn: Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của pin thể rắn là độ an toàn được cải thiện. Không có chất điện phân lỏng dễ cháy, nguy cơ cháy hoặc nổ giảm đáng kể. Điều này làm cho chúng rất được ưa chuộng cho các ứng dụng mà an toàn là mối quan tâm hàng đầu, chẳng hạn như xe điện (EV) và thiết bị điện tử cầm tay.
+ Mật độ năng lượng: Pin thể rắn có khả năng đạt được mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion truyền thống. Điều này có nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một không gian, mang lại thời gian chạy lâu hơn cho các thiết bị điện tử và phạm vi lái xe mở rộng cho xe điện.
+ Sạc nhanh hơn: Pin thể rắn cũng có thể cho phép thời gian sạc nhanh hơn so với pin thông thường. Cấu trúc độc đáo của chúng cho phép dẫn ion tốt hơn, giảm thời gian cần thiết để sạc đầy pin.
+ Tuổi thọ cao hơn: Pin thể rắn có xu hướng có tuổi thọ cao hơn so với pin truyền thống. Vật liệu điện phân rắn ổn định hơn, có nghĩa là nó ít bị xuống cấp hơn theo thời gian, dẫn đến tuổi thọ pin lâu hơn.
Phạm vi nhiệt độ rộng: Pin thể rắn ổn định hơn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, khiến chúng phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.
Công nghệ pin thể rắn được nhắc đến vào năm 2016 bởi John B. Goodenough, người đoạt giải Nobel 2019 và là giáo sư tại Đại học Texas ở Austin, ông cũng là người được biết đến với những đóng góp quan trọng cho nghiên cứu về pin.
Pin thể rắn là một loại pin tiên tiến sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc gel có trong pin lithium-ion truyền thống. Những loại pin thể rắn này được coi là có triển vọng vì chúng mang lại một số lợi thế tiềm năng, chẳng hạn như mật độ năng lượng cao hơn, độ an toàn được cải thiện và thời gian sạc nhanh hơn.
Nguyên lý hoạt động:
+ Cũng giống như pin lithium - ion dạng lỏng và gel, pin thể rắn hoạt động dựa trên nguyên lý điện phân và quá trình ô xy hóa khử, trong quá trình điện hóa, các ion + di chuyển từ cực âm ( anode ) sang cực dương ( cathode ), quá trình này tạo ra chênh lệnh điện áp giữa cực âm và cực dương, từ đó kích thích dòng electron - di chuyển từ cực âm --> cực dương, tạo ra dòng điện từ dương sang âm ( vì chiều dòng điện trái ngược với chiều e chạy )
Chính vì có dòng e - di chuyển từ dương sang âm này , dòng điện đc tạo ra : hóa năng chuyển hóa thành điện năng
+ Khi có dòng điện kích thích ( cắm sạc ), thì quá trình diễn ra theo hướng ngược lại, khi toàn bộ e - đã quay trở về, thì là pin đã đc sạc đầy 100%
Pin thể rắn chỉ có 1 điểm khác biệt so với pin lỏng và gel, đó là ở dạng lỏng và gel, là có dung dịch điện li ( electrolyte ) và tấm ngăn cách riêng biệt, trong khi ở pin dạng rắn, thì chỉ có chất rắn điện li ( solid state electrolyte ) đóng vai trò vừa là chất điện li, vừa là màng ngăn cách giữa 2 cực.
Pin lithium hiện nay dễ cháy là vì: chất điện li là chất lỏng dễ cháy, cho nên khi xảy ra hiện tượng quá nhiệt hay do va chạm, làm hư hại pack pin, thì sẽ dẫn đến khả năng cháy nổi
Pin dạng rắn ko sử dụng chất lỏng điện li mà thay vào đó, sử dụng chất điện li là chất rắn, nên sẽ khó bị cháy hơn nhiều.
Chất rắn điện li cũng mở ra không gian cho việc sử dụng nhiều các hợp chất để làm điện cực, cho mật độ điện năng lớn hơn so với các ứng dụng của lithum - ion hiện nay như Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4 hay LMO), Lithium Iron Phosphate (LiFePO4 hay LFP), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 hay NMC):
Tất cả bọn này đều có ưu và nhược riêng của nó, nhưng ko thằng nào là "pin toàn năng" so với nhu cầu tương lai : mật độ năng lượng cao, ko chai pin, vòng đời dài, sạc nhanh, vì bọn này đều bị vướng ở "chất liệu điện li" của nó
Như hình trên thì ta thấy là chất điện li lỏng chỉ có lợi thế ở: mật độ tiếp xúc + khả năng dẫn truyền ion, cực kì khiếm khuyết ở tính ổn định ( electrochemical stability ) + khả năng chai pin ( dendrite suppression ) + cháy nổ ( thermal stability )
Vậy nên đó là lý do chính để nghiên cứu pin thể rắn ( All solid state battery ), vì pin dạng lỏng và dạng gel đã "gần hết không gian nghiên cứu r"
Khi nghiên cứu làm pin thể rắn, giới khoa học đã phát hiện ra "5 vấn đề" cần giải quyết:
1. Hiện tượng dendrite kim loại xảy ra khi chu trình cắm và ngắt sạc diễn ra nhiều lần, gây ra sự ngắn mạch giữa anode và cathode, làm tăng nhiệt lượng pin + làm giảm hiệu năng của pin, gây ra tình trạng "chai pin"
2. Hiện tượng "tự nứt" đối với cực âm anode khi xảy ra hiện tượng dendrite, làm giảm bề mặt tiếp xúc dẫn đến quá trình trao đổi ion kém hiệu quả + vết nứt ở anode bị mở rộng đủ lớn để oxi tràn vô, hình thành oxyde
3. Nhu cầu nghiên cứu để chọn ra hợp kim làm điện cực để thỏa mãn yêu cầu phát triển trong tương lai
4. Nhu cầu nghiên cứu và phát triển các sporous ( chất xúc tác ) làm tăng tốc độ trao đổi ion
5. Nhu cầu về xử lý bề mặt điện cực để có được "tiếp xúc bề mặt tốt" giữa điện cực và chất rắn điện li, đồng thời xử lý các khiếm khuyết trên bề mặt điện cực ( các lỗ thừa, lỗ trống nguyên tử, phân tử )
5 vấn đề kia t sẽ chia ra 2 phần, phần này là phần đầu tiên: Tổng quan + nguyên lý của pin thể rắn ( Solid state battery )
Định nghĩa:
Pin thể rắn: là một loại công nghệ pin tiên tiến sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc gel có trong pin truyền thống. Pin thể rắn có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng do có nhiều ưu điểm khác nhau so với pin lithium-ion thông thường. Một số tính năng và lợi ích chính của pin thể rắn bao gồm:
Ưu điểm:
+ An toàn: Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của pin thể rắn là độ an toàn được cải thiện. Không có chất điện phân lỏng dễ cháy, nguy cơ cháy hoặc nổ giảm đáng kể. Điều này làm cho chúng rất được ưa chuộng cho các ứng dụng mà an toàn là mối quan tâm hàng đầu, chẳng hạn như xe điện (EV) và thiết bị điện tử cầm tay.
+ Mật độ năng lượng: Pin thể rắn có khả năng đạt được mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion truyền thống. Điều này có nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một không gian, mang lại thời gian chạy lâu hơn cho các thiết bị điện tử và phạm vi lái xe mở rộng cho xe điện.
+ Sạc nhanh hơn: Pin thể rắn cũng có thể cho phép thời gian sạc nhanh hơn so với pin thông thường. Cấu trúc độc đáo của chúng cho phép dẫn ion tốt hơn, giảm thời gian cần thiết để sạc đầy pin.
+ Tuổi thọ cao hơn: Pin thể rắn có xu hướng có tuổi thọ cao hơn so với pin truyền thống. Vật liệu điện phân rắn ổn định hơn, có nghĩa là nó ít bị xuống cấp hơn theo thời gian, dẫn đến tuổi thọ pin lâu hơn.
Phạm vi nhiệt độ rộng: Pin thể rắn ổn định hơn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, khiến chúng phù hợp để sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.
Công nghệ pin thể rắn được nhắc đến vào năm 2016 bởi John B. Goodenough, người đoạt giải Nobel 2019 và là giáo sư tại Đại học Texas ở Austin, ông cũng là người được biết đến với những đóng góp quan trọng cho nghiên cứu về pin.
Pin thể rắn là một loại pin tiên tiến sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc gel có trong pin lithium-ion truyền thống. Những loại pin thể rắn này được coi là có triển vọng vì chúng mang lại một số lợi thế tiềm năng, chẳng hạn như mật độ năng lượng cao hơn, độ an toàn được cải thiện và thời gian sạc nhanh hơn.
Nguyên lý hoạt động:
+ Cũng giống như pin lithium - ion dạng lỏng và gel, pin thể rắn hoạt động dựa trên nguyên lý điện phân và quá trình ô xy hóa khử, trong quá trình điện hóa, các ion + di chuyển từ cực âm ( anode ) sang cực dương ( cathode ), quá trình này tạo ra chênh lệnh điện áp giữa cực âm và cực dương, từ đó kích thích dòng electron - di chuyển từ cực âm --> cực dương, tạo ra dòng điện từ dương sang âm ( vì chiều dòng điện trái ngược với chiều e chạy )
Chính vì có dòng e - di chuyển từ dương sang âm này , dòng điện đc tạo ra : hóa năng chuyển hóa thành điện năng
+ Khi có dòng điện kích thích ( cắm sạc ), thì quá trình diễn ra theo hướng ngược lại, khi toàn bộ e - đã quay trở về, thì là pin đã đc sạc đầy 100%
Pin thể rắn chỉ có 1 điểm khác biệt so với pin lỏng và gel, đó là ở dạng lỏng và gel, là có dung dịch điện li ( electrolyte ) và tấm ngăn cách riêng biệt, trong khi ở pin dạng rắn, thì chỉ có chất rắn điện li ( solid state electrolyte ) đóng vai trò vừa là chất điện li, vừa là màng ngăn cách giữa 2 cực.
Pin lithium hiện nay dễ cháy là vì: chất điện li là chất lỏng dễ cháy, cho nên khi xảy ra hiện tượng quá nhiệt hay do va chạm, làm hư hại pack pin, thì sẽ dẫn đến khả năng cháy nổi
Pin dạng rắn ko sử dụng chất lỏng điện li mà thay vào đó, sử dụng chất điện li là chất rắn, nên sẽ khó bị cháy hơn nhiều.
Chất rắn điện li cũng mở ra không gian cho việc sử dụng nhiều các hợp chất để làm điện cực, cho mật độ điện năng lớn hơn so với các ứng dụng của lithum - ion hiện nay như Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4 hay LMO), Lithium Iron Phosphate (LiFePO4 hay LFP), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 hay NMC):
Tất cả bọn này đều có ưu và nhược riêng của nó, nhưng ko thằng nào là "pin toàn năng" so với nhu cầu tương lai : mật độ năng lượng cao, ko chai pin, vòng đời dài, sạc nhanh, vì bọn này đều bị vướng ở "chất liệu điện li" của nó
Như hình trên thì ta thấy là chất điện li lỏng chỉ có lợi thế ở: mật độ tiếp xúc + khả năng dẫn truyền ion, cực kì khiếm khuyết ở tính ổn định ( electrochemical stability ) + khả năng chai pin ( dendrite suppression ) + cháy nổ ( thermal stability )
Vậy nên đó là lý do chính để nghiên cứu pin thể rắn ( All solid state battery ), vì pin dạng lỏng và dạng gel đã "gần hết không gian nghiên cứu r"
Khi nghiên cứu làm pin thể rắn, giới khoa học đã phát hiện ra "5 vấn đề" cần giải quyết:
1. Hiện tượng dendrite kim loại xảy ra khi chu trình cắm và ngắt sạc diễn ra nhiều lần, gây ra sự ngắn mạch giữa anode và cathode, làm tăng nhiệt lượng pin + làm giảm hiệu năng của pin, gây ra tình trạng "chai pin"
2. Hiện tượng "tự nứt" đối với cực âm anode khi xảy ra hiện tượng dendrite, làm giảm bề mặt tiếp xúc dẫn đến quá trình trao đổi ion kém hiệu quả + vết nứt ở anode bị mở rộng đủ lớn để oxi tràn vô, hình thành oxyde
3. Nhu cầu nghiên cứu để chọn ra hợp kim làm điện cực để thỏa mãn yêu cầu phát triển trong tương lai
4. Nhu cầu nghiên cứu và phát triển các sporous ( chất xúc tác ) làm tăng tốc độ trao đổi ion
5. Nhu cầu về xử lý bề mặt điện cực để có được "tiếp xúc bề mặt tốt" giữa điện cực và chất rắn điện li, đồng thời xử lý các khiếm khuyết trên bề mặt điện cực ( các lỗ thừa, lỗ trống nguyên tử, phân tử )
5 vấn đề kia t sẽ chia ra 2 phần, phần này là phần đầu tiên: Tổng quan + nguyên lý của pin thể rắn ( Solid state battery )
