Pin Lithium Ion và những thách thức trong sản xuất chúng

Pin lithium ion là sản xuất trong các bộ điện cực và sau đó được lắp ráp trong các tế bào. Vật liệu hoạt tính được trộn với chất kết dính polyme, chất phụ gia dẫn điện và dung môi để tạo thành hỗn hợp sệt sau đó được phủ lên lá thu dòng điện và sấy khô để loại bỏ dung môi và tạo ra lớp phủ điện cực xốp.

Không có pin lithium ion duy nhất. Với sự đa dạng của các vật liệu và cặp điện hóa có sẵn, có thể thiết kế các tế bào pin dành riêng cho ứng dụng của chúng về điện áp, trạng thái sử dụng điện tích, nhu cầu trọn đời và độ an toàn. Việc lựa chọn các cặp điện hóa cụ thể cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các tỷ số công suất, năng lượng và năng lượng sẵn có.

Việc tích hợp trong một tế bào có kích thước lớn đòi hỏi phải tối ưu hóa việc sản xuất điện cực dạng cuộn và sử dụng các vật liệu hoạt tính. Các điện cực được phủ trên lá thu dòng kim loại trong cấu trúc tổng hợp gồm vật liệu hoạt tính, chất kết dính và chất phụ gia dẫn điện, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận hóa học keo, độ bám dính và quá trình hóa rắn. Nhưng các vật liệu không hoạt động được thêm vào và bao bì tế bào làm giảm mật độ năng lượng. Hơn nữa, mức độ xốp và độ nén của điện cực có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

Ngoài những thách thức về vật liệu này, chi phí cũng là một rào cản đáng kể đối với việc áp dụng rộng rãi công nghệ này. Các lộ trình đang được khám phá để đưa pin từ loại 100 Wh/kg và 200 Wh/L có sẵn trên thị trường ở mức 500 USD/kWh lên đến 250 Wh/kg và 400 Wh/L chỉ với 125 USD/kWh.

Nguyên tắc cơ bản của pin Lithium Ion

Pin lithium ion được tạo ra nhờ việc phát hiện ra oxit lithium coban (LiCoO ₂ ), cho phép tách các ion lithium và tạo ra một lượng lớn chỗ trống (không làm thay đổi tinh thể) cho đến loại bỏ một nửa số ion hiện có. Sự kết hợp của LiCoO ₂ với than chì cho phép xen kẽ các ion lithium giữa các lớp graphene chiếm vị trí xen kẽ giữa mọi vòng lục giác của các nguyên tử carbon (Besenhard và Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Các ion lithium di chuyển trong quá trình tích điện từ điện cực dương (cực âm) qua chất điện phân rắn hoặc lỏng đến điện cực âm (cực dương) và trong quá trình phóng điện, theo hướng ngược lại. Ở mỗi điện cực, ion duy trì điện tích của nó và xen vào cấu trúc tinh thể chiếm các vị trí xen kẽ trong các tinh thể hiện có ở phía cực dương hoặc chiếm lại một vị trí trống trong cực âm được hình thành khi ion lithium rời khỏi tinh thể đó. Trong khi chuyển ion, ma trận vật chủ bị khử hoặc bị oxy hóa, giải phóng hoặc thu giữ một electron. ¹

Vật liệu Cathode đa dạng

Việc tìm kiếm vật liệu catốt mới một phần được thúc đẩy bởi những nhược điểm quan trọng của LiCoO ₂ . Pin có nhiệt độ lõi từ 40–70°C và có thể dễ bị ảnh hưởng bởi một số phản ứng ở nhiệt độ thấp. Nhưng ở nhiệt độ 105–135°C, nó rất dễ phản ứng và là nguồn oxy tuyệt vời cho mối nguy hiểm an toàn được gọi là phản ứng tỏa nhiệt , trong đó các phản ứng tỏa nhiệt cao tạo ra sự tăng vọt nhiệt độ và tăng tốc nhanh chóng khi giải phóng thêm nhiệt (Roth 2000).

Vật liệu thay thế cho LiCoO ₂ ít gặp phải thất bại đó hơn. Các hợp chất này thay thế các bộ phận của coban bằng niken và mangan để tạo thành Li(Ni _x Mn _y có _z )Ồ ₂ hợp chất (có x + y + z = 1), thường được gọi là NMC vì chúng chứa niken, mangan và coban; hoặc chúng có cấu trúc hoàn toàn mới ở dạng photphat (ví dụ LiFePO ₄ ) (Daniel và cộng sự 2014). Tất cả các vật liệu catốt này đều có công suất trong khoảng 120–160 Ah/kg ở 3,5–3,7 V, dẫn đến mật độ năng lượng tối đa lên tới 600 Wh/kg.

Tuy nhiên, khi được đóng gói trong các thiết bị thực, nhiều khối lượng vật liệu không hoạt động sẽ được thêm vào và mật độ năng lượng có xu hướng giảm xuống 100 Wh/kg ở cấp độ đóng gói. Để thúc đẩy mật độ năng lượng cao hơn, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm công suất và điện áp cao hơn và tìm thấy chúng trong các oxit kim loại chuyển tiếp giàu lithium và mangan. Các hợp chất này về cơ bản là những vật liệu giống như NMC nhưng lượng lithium dư thừa và lượng mangan cao hơn sẽ thay thế niken và coban. Lượng lithium cao hơn (nhiều hơn tới 20%) cho phép các hợp chất có công suất cao hơn (Thhackeray và cộng sự 2007) và điện áp cao hơn, tạo ra cực âm lên tới 280 Ah/kg khi được sạc lên tới 4,8 V. Tuy nhiên , các hợp chất mới này có vấn đề về độ ổn định và có xu hướng phai màu nhanh.

Cân bằng vật chất trong tế bào

Pin lithium ion được làm từ các lớp điện cực xốp trên các lá thu dòng bằng nhôm và đồng (Daniel 2008). Công suất của mỗi cặp điện cực cần được cân bằng để đảm bảo an toàn cho pin và tránh nguy cơ quá tải ở cực dương (có thể dẫn đến mạ kim loại lithium và đoản mạch) hoặc phóng điện quá mức ở cực âm (có thể dẫn đến sụp đổ cấu trúc tinh thể). và mất chỗ trống cho lithium để tái sản xuất, làm giảm đáng kể công suất).

Than chì có công suất lý thuyết là 372 Ah/kg, gấp đôi so với lithium có sẵn ở cực âm NMC. Vì vậy, trong pin lithium ion cân bằng, cực âm thường có độ dày gấp đôi so với cực dương. Lỗ hổng cố hữu này của thiết kế tế bào gây ra các vấn đề về vận chuyển khối lượng và động học, do đó thúc đẩy việc tìm kiếm các cực âm công suất cao.

Để tăng mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào, các vật liệu không hoạt động đang được giảm thiểu trong tế bào pin. Ví dụ, một cách để giảm bộ thu dòng điện là tăng độ dày của các điện cực, nhưng điều này càng gây ra các vấn đề về vận chuyển và đòi hỏi độ xốp được thiết kế cao trong điện cực.

Những thách thức về chi phí trong sản xuất pin Lithium Ion

Chi phí của pin lithium ion cao hơn nhiều so với mức mà thị trường ô tô sẽ phải trả cho sự thâm nhập hoàn toàn của xe điện và một sản phẩm có chi phí trung bình so với ô tô chạy bằng động cơ đốt trong. Mục tiêu chi phí của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho tất cả pin xe điện là 125 USD/kWh năng lượng sử dụng được (DOE 2013). Chi phí hiện tại của pin thương mại là 400–500 USD/kWh và chi phí dự kiến ​​của chúng với các vật liệu thử nghiệm hiện tại là 325 USD/kWh. Hầu hết việc giảm chi phí cho đến nay đều đạt được nhờ tăng mật độ năng lượng với chi phí tương tự như các sản phẩm thế hệ cũ.

Có thể giảm chi phí hơn nữa thông qua việc tối ưu hóa các chương trình sản xuất. Pin lithium ion được sản xuất theo bộ điện cực và sau đó được lắp ráp thành các tế bào. Vật liệu hoạt tính được trộn với chất kết dính polyme, chất phụ gia dẫn điện và dung môi để tạo thành hỗn hợp sệt sau đó được phủ lên lá thu dòng điện và sấy khô để loại bỏ dung môi và tạo ra lớp phủ điện cực xốp. Dung môi được lựa chọn, N-methylpyrrolidone (NMP), được coi là dung môi tài liệu gián tiếp (cần thiết cho sản xuất nhưng không có trong thiết bị cuối cùng), nhưng nó đắt tiền, dễ cháy và có độc tính cao.

Hơi dễ cháy của NMP yêu cầu tất cả các thiết bị xử lý trong quá trình sản xuất điện cực phải chống cháy nổ, nghĩa là tất cả các bộ phận điện tạo ra tia lửa cần phải được bảo vệ khỏi hơi và không gian cần phải được thông gió cao để giữ nồng độ hơi ở mức thấp. Những biện pháp này làm tăng đáng kể chi phí vốn của các thiết bị đó.

Ngoài ra, nhà máy sản xuất điện cực được yêu cầu thu hồi dung môi từ dòng khí thải, chưng cất và tái chế. Đây lại là một chi phí bổ sung.

Giảm chi phí bằng cách xử lý dựa trên nước

Việc thay thế NMP bằng nước là cơ hội to lớn để giảm chi phí trong sản xuất pin lithium-ion. Giá nước không đáng kể so với NMP; nước không dễ cháy và không tạo ra hơi dễ cháy; và nước thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nước là dung môi phân cực và tính chất của nó hoàn toàn khác với NMP không phân cực. Hơn nữa, các vật liệu hoạt động có xu hướng kết tụ và bề mặt thu dòng kim loại có tính kỵ nước, khiến quá trình phủ trở nên khó khăn hơn.

Kiến thức về điện tích bề mặt của các hạt (bằng cách đo thế zeta) cho phép thiết kế độ phân cực bề mặt khi có nước bằng cách đưa vào một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt. Trong trường hợp các hợp chất xen kẽ cực âm, polyetylen imide đã được sử dụng thành công để tạo ra điện tích bề mặt đủ lớn để đẩy các hạt để chúng không hình thành các chất kết tụ không thể chấp nhận được (Li và cộng sự 2013).

Hiểu được năng lượng bề mặt của kim loại và sức căng bề mặt của bùn cũng như sự tương tác của chúng cho phép tối ưu hóa cặp này. Xử lý bề mặt kim loại bằng plasma khí quyển thông qua tiếp xúc với plasma corona sẽ loại bỏ các hợp chất hữu cơ trên bề mặt và tạo ra hiện tượng ăn mòn và oxy hóa nhẹ, làm giảm đáng kể năng lượng bề mặt xuống các giá trị dưới sức căng bề mặt của bùn. Điều này cho phép làm ướt hoàn hảo bề mặt bằng vữa và tạo ra lớp phủ có độ bám dính tối ưu (Li và cộng sự 2012). Kết quả là giảm 75% chi phí vận hành và vật liệu trong sản xuất điện cực và giảm chi phí tiềm năng lên tới 20% ở cấp độ bộ pin cho các ứng dụng ô tô (Wood và cộng sự 2014). Điều này không bao gồm chi phí thiết bị thấp hơn: chi phí liên quan đến thiết bị xử lý plasma thấp hơn nhiều so với chi phí dành cho hệ thống thu hồi dung môi và yêu cầu chống cháy nổ.

Cơ hội giảm chi phí trong tương lai

Sẽ giảm được chi phí hơn nữa thông qua kiến ​​thức sâu hơn về cơ chế vận chuyển và ý nghĩa của cấu trúc điện cực đối với hiệu suất điện hóa. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào mô hình hóa và mô phỏng để hiểu các cơ chế phân tử và cải thiện thiết kế điện cực, ngăn xếp điện cực và pin. Các điện cực dày hơn và việc giảm đáng kể các vật liệu không hoạt động sẽ cải thiện mật độ năng lượng với chi phí thấp hơn, giảm chi phí trực tiếp và có thể cho phép chu trình hình thành pin tiêu tốn ít năng lượng hơn và ngắn hơn nhiều.

Phần kết luận

Pin lithium ion có tiềm năng to lớn trong việc điện khí hóa một phần đến toàn bộ đội xe ô tô, đa dạng hóa các nguồn năng lượng cho giao thông vận tải và hỗ trợ lưu trữ năng lượng quy mô lớn để cung cấp năng lượng tái tạo không liên tục thâm nhập cao hơn. Tuy nhiên, chi phí vẫn tiếp tục là một vấn đề và sẽ cần được giải quyết bằng cách phát triển chuỗi cung ứng mạnh mẽ, các tiêu chuẩn trong sản xuất, năng suất sản xuất cao và các phương pháp xử lý chi phí thấp hợp lý. Ngoài việc giảm chi phí, nghiên cứu có thể nâng cao kiến ​​thức về các quá trình phân tử và các vấn đề vận chuyển nhằm tối ưu hóa việc thiết kế và sử dụng năng lượng sẵn có trong pin cũng như tăng tuổi thọ của chúng.

Như đã trình bày trong bài báo này, việc tăng hàm lượng và công suất năng lượng trong vật liệu điện cực hoạt động và giảm vật liệu gián tiếp trong sản xuất là hai cách tác động đến chi phí.

Lời cảm ơn

Các phần của nghiên cứu này tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL; do UT Battelle, LLC quản lý) cho Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (theo hợp đồng DE-AC05-00OR22725) được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Xe cộ sử dụng Năng lượng tái tạo và Hiệu quả Năng lượng (EERE) Chương trình con Nghiên cứu Pin Ứng dụng (ABR) của Office (VTO) (người quản lý chương trình: Peter Faguy và David Howell). Tác giả ghi nhận nhiều cuộc thảo luận và đóng góp hiệu quả từ David Wood, Jianlin Li và Debasish Mohanty của Cơ sở R&D Sản xuất Pin DOE tại ORNL và Beth Armstrong thuộc Phòng Khoa học và Công nghệ Vật liệu của ORNL.

Nguồn bài viết: Cầu Xuân: Từ biên giới của kỹ thuật và hơn thế nữa