Phân tích pin thể rắn cũng như ưu điểm và nhược điểm của chúng
Năm đặc điểm của pin thể rắn
Bảo mật cao:
Vấn đề an toàn của pin lỏng luôn bị chỉ trích. Chất điện phân dễ cháy dưới nhiệt độ cao hoặc va đập mạnh. Dưới dòng điện cao, sợi nhánh lithium cũng sẽ xuất hiện để xuyên qua dải phân cách và gây đoản mạch. Đôi khi chất điện phân có thể xảy ra phản ứng phụ hoặc phân hủy ở nhiệt độ cao. Độ ổn định nhiệt của chất điện phân lỏng chỉ có thể được duy trì ở mức 100 độ, trong khi chất điện phân rắn oxit có thể đạt tới 800 độ, và sunfua và halogenua cũng có thể đạt tới 400 độ. Các oxit rắn ổn định hơn chất lỏng và do ở dạng rắn nên khả năng chống va đập của chúng cao hơn nhiều so với chất lỏng. Vì vậy, pin thể rắn có thể đáp ứng được nhu cầu an toàn của con người.
Mật độ năng lượng cao:
Hiện tại, pin thể rắn chưa đạt được mật độ năng lượng vượt quá pin lỏng, nhưng về mặt lý thuyết, pin thể rắn có thể đạt được mật độ năng lượng rất cao. Pin thể rắn không cần phải bọc trong chất lỏng để tránh rò rỉ như pin lỏng. Do đó, lớp vỏ dư thừa, màng bọc, vật liệu tản nhiệt, v.v. có thể được loại bỏ và mật độ năng lượng có thể được cải thiện đáng kể.
Năng lượng cao:
Các ion lithium trong pin lỏng được truyền bằng cách dẫn điện, trong khi các ion lithium trong pin thể rắn được truyền bằng cách dẫn nhảy, nhanh hơn và có tốc độ sạc và xả cao hơn. Sạc nhanh luôn là một khó khăn đối với công nghệ pin lỏng vì lithium sẽ bị kết tủa nếu tốc độ sạc quá nhanh, nhưng vấn đề này không tồn tại ở pin thể rắn hoàn toàn.
Hiệu suất ở nhiệt độ thấp:
Pin lỏng thường hoạt động ổn định ở nhiệt độ -10 đến 45 độ nhưng phạm vi di chuyển của chúng giảm nghiêm trọng vào mùa đông. Nhiệt độ hoạt động của chất điện phân rắn nằm trong khoảng từ -30 độ đến 100 độ, do đó sẽ không làm giảm tuổi thọ của pin ngoại trừ ở những khu vực cực lạnh và không cần hệ thống quản lý nhiệt phức tạp.
Tuổi thọ dài:
Trong số các loại pin lỏng, tuổi thọ trung bình của pin ternary là 500-1000 chu kỳ và tuổi thọ của lithium iron phosphate có thể đạt tới 2000 chu kỳ. Màng mỏng ở trạng thái rắn hoàn toàn có thể đạt tới 45,000 chu kỳ trong tương lai và tuổi thọ 5C trong phòng thí nghiệm có thể đạt tới 10.000 lần. Khi chi phí sản xuất của cùng một mật độ năng lượng có thể được hội tụ, hiệu quả chi phí của pin thể rắn là vô song.
So sánh 4 chất điện phân vô cơ rắn
Các loại vật liệu của chất điện phân rắn có thể được chia thành bốn loại: oxit, sunfua, polyme và halogenua. Mỗi loại trong số bốn loại chất điện phân này có các đặc tính vật lý và hóa học khác nhau, điều này quyết định độ khó của R&D, sản xuất và công nghiệp hóa cũng như vị thế thị trường trong tương lai của nó.
Chất điện giải oxit:
Thuận lợi:Độ dẫn ion ở giữa và có độ ổn định điện hóa, ổn định cơ học và ổn định nhiệt tốt nhất. Nó có thể thích ứng với vật liệu catốt điện áp cao và cực dương lithium kim loại. Độ dẫn điện và độ chọn lọc ion tuyệt vời. Đồng thời, mức độ liên tục của thiết bị và chi phí sản xuất cũng có lợi thế lớn. Năng lực toàn diện là toàn diện nhất.
Nhược điểm:Độ ổn định giảm hơi thấp, giòn và có thể gây ra vết nứt.
Chất điện phân oxit có độ bền cơ học cao, ổn định nhiệt và không khí tốt và cửa sổ điện hóa rộng. Chất điện phân oxit có thể được chia thành trạng thái tinh thể và vô định hình. Các chất điện phân oxit tinh thể phổ biến bao gồm loại perovskite, loại LISICON, loại NASICON và loại garnet. Chất điện phân oxit có thể chịu được điện áp cao, nhiệt độ phân hủy cao và độ bền cơ học tốt. Tuy nhiên, độ dẫn ion ở nhiệt độ phòng của nó thấp (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), giúp giảm đáng kể mật độ năng lượng âm lượng của pin. Thông qua việc pha tạp nguyên tố và biến đổi ranh giới hạt, độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của chất điện phân oxit có thể tăng lên mức 10-3 S/cm. Kiểm soát thể tích tinh thể và thêm lớp phủ polymer có thể cải thiện sự tiếp xúc bề mặt giữa chất điện phân oxit và các điện cực dương và âm. Phương pháp phủ dung dịch/bùn có thể tạo ra màng điện phân rắn siêu mỏng.
Chất điện phân sunfua:
Thuận lợi:độ dẫn ion cao nhất, điện trở ranh giới hạt nhỏ, độ dẻo tốt và độ chọn lọc ion tốt.
Nhược điểm:độ ổn định hóa học kém, sẽ phản ứng với kim loại lithium và dễ dàng phản ứng với không khí ẩm. Chi phí cao hơn và tính chất cơ học kém. Hiện nay, việc sản xuất vẫn phải thực hiện trong hộp đựng găng tay nên khó sản xuất hàng loạt trên quy mô lớn.
Chất điện phân sunfua có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng cao và độ dẻo tốt, độ ổn định của chúng có thể được cải thiện thông qua pha tạp và phủ. Chất điện phân sunfua hiện có ba dạng chính: thủy tinh, gốm thủy tinh và tinh thể. Chất điện phân sunfua có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng cao, có thể gần bằng chất điện phân lỏng (10-4-10-2 S/cm), độ cứng vừa phải, tiếp xúc vật lý bề mặt tốt và tính chất cơ học tốt. Chúng là những vật liệu ứng cử viên quan trọng cho pin thể rắn. Tuy nhiên, chất điện phân sunfua có cửa sổ điện hóa hẹp, độ ổn định bề mặt kém với các điện cực dương và âm và rất nhạy cảm với độ ẩm. Nó có thể phản ứng với một lượng nhỏ nước trong không khí và giải phóng khí hydro sunfua độc hại. Sản xuất, vận chuyển, chế biến có yêu cầu rất cao về môi trường. Các phương pháp sửa đổi như pha tạp và phủ có thể ổn định bề mặt tiếp xúc giữa sunfua với các điện cực dương và âm, khiến chúng phù hợp với nhiều loại vật liệu điện cực dương và âm khác nhau, thậm chí được sử dụng trong pin lithium-lưu huỳnh.
Việc chuẩn bị pin điện phân sunfua có yêu cầu cao về môi trường. Chất điện phân sunfua có độ dẫn điện cao, tương đối mềm và có thể được sản xuất bằng phương pháp phủ. Quy trình sản xuất không khác lắm so với quy trình sản xuất pin lỏng hiện tại, nhưng để cải thiện tiếp xúc giao diện của pin, thường phải thực hiện nhiều lần ép nóng sau khi phủ và thêm một lớp đệm để cải thiện tiếp xúc giao diện. Chất điện phân sunfua rất nhạy cảm với độ ẩm và có thể phản ứng với một lượng nước trong không khí để tạo ra khí hydro sunfua độc hại, do đó yêu cầu về môi trường đối với sản xuất pin là rất cao.
Chất điện phân polyme:
Thuận lợi:an toàn tốt, linh hoạt, giao diện tiếp xúc và dễ tạo màng.
Nhược điểm:Độ dẫn ion rất thấp ở nhiệt độ phòng và độ ổn định nhiệt kém.
Nó linh hoạt và dễ xử lý, độ dẫn điện có thể được cải thiện thông qua liên kết ngang, trộn, ghép và thêm chất hóa dẻo. Các chất nền polymer chính được sử dụng trong chất điện phân polymer bao gồm PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC, v.v. Các muối lithium chính được sử dụng bao gồm LiPF6, LiFSI, LiTFSI, v.v. Chất điện phân polymer dễ điều chế, có tính linh hoạt và khả năng xử lý tốt, và có thể được sử dụng trong các sản phẩm điện tử dẻo hoặc pin có hình dạng độc đáo. Nó có tiếp xúc vật lý tốt với các điện cực dương và âm, và quá trình này tương đối gần với quá trình của pin lithium hiện có. Nó có thể dễ dàng được sử dụng trong sản xuất hàng loạt pin thông qua việc chuyển đổi các thiết bị hiện có. Tuy nhiên, độ dẫn ion ở nhiệt độ phòng của chất điện phân polyme nhìn chung rất thấp (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP-positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cell assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
Chất điện phân halogenua:
Thuận lợi:Điện trở suất thấp, độ chọn lọc ion cao, độ ổn định khử cao và không dễ bị nứt.
Nhược điểm:Nó vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm, có độ ổn định hóa học và ổn định oxy hóa kém, khả năng kháng ion cao.
Do những ưu điểm và nhược điểm nổi bật của halogenua và polyme, sự cạnh tranh toàn cầu trong tương lai đối với pin thể rắn sẽ chủ yếu tập trung vào oxit và sunfua. Trên thực tế, do tính ổn định hóa học kém nên các loại vật liệu có thể lựa chọn cho chất điện phân sunfua rất hẹp, nhưng miễn là tìm được vật liệu phù hợp và những đột phá trong quy trình thì khuyết điểm này có thể được bù đắp.
Tuy nhiên, từ góc độ công nghiệp hóa, các quy trình phức tạp sẽ dẫn đến chi phí cao hơn và trần quy mô, vì vậy chất điện phân rắn oxit hiện là xu hướng chủ đạo trong việc phát triển pin thể rắn. Từ pin lỏng đến pin thể rắn sẽ có giai đoạn pin bán rắn và phù hợp nhất ở giai đoạn này là con đường oxit. Đó là vì hiệu suất toàn diện và lợi thế về chi phí. Pin bán rắn có thể thay thế pin lỏng hiện tại nhanh hơn, dần tận dụng được những ưu điểm và hiệu quả về chi phí của pin thể rắn.
Với sự tiến bộ của công nghệ, vẫn chưa rõ liệu thế giới sẽ bị thống trị bởi oxit hay sunfua trong tương lai hay không. Cốt lõi của công nghệ pin thể rắn là nghiên cứu và phát triển chất điện phân thể rắn. Mặc dù các vật liệu điện phân rắn hiện nay đã có những tiến bộ vượt bậc nhưng chúng vẫn còn tồn tại những vấn đề như độ dẫn điện kém, điện trở bề mặt lớn và chi phí chuẩn bị cao. Cần tiếp tục nghiên cứu cơ bản và đột phá về công nghệ để cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định của chất điện phân rắn.
