Pin lithium-ion gây bất ngờ: Giữ 95,6% dung lượng sau 1.000 lần sạc

Các nhà khoa học Nhật Bản phát triển một loại phụ gia mới cho pin lithium-ion, giúp cell pin duy trì tới 95,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc. Công nghệ này được kỳ vọng mở ra hướng mới để kéo dài tuổi thọ pin lithium, đặc biệt trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) vừa công bố kết quả đáng chú ý liên quan đến công nghệ kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Matsumi dẫn đầu đã phát triển hợp chất có tên pentafluorophenyl thiophene imine (FPTI). Đây là một loại phụ gia điện phân được thiết kế nhằm kiểm soát các phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực trong những chu kỳ sạc đầu tiên.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi sử dụng FPTI ở nồng độ phù hợp, cell pin có thể duy trì tới 95,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc, cao hơn đáng kể so với mẫu pin không sử dụng phụ gia.

Phụ gia FPTI giúp pin lithium-ion giảm tốc độ chai pin

Một trong những nguyên nhân khiến pin lithium-ion suy giảm hiệu suất theo thời gian là các phản ứng phụ xảy ra giữa chất điện phân và vật liệu điện cực.

Trong quá trình sạc và xả, một lớp màng liên pha chất điện phân rắn, thường gọi là SEI (Solid Electrolyte Interphase), hình thành trên bề mặt điện cực than chì.

Lớp SEI đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ điện cực và hạn chế các phản ứng không mong muốn. Tuy nhiên, nếu lớp màng này không ổn định, lithium hoạt tính có thể bị tiêu hao và điện trở bên trong pin tăng lên. Đây là một trong những yếu tố góp phần làm pin lithium giảm dung lượng theo thời gian.

FPTI được thiết kế để phản ứng ưu tiên trong những chu kỳ sạc đầu tiên, qua đó tạo ra lớp SEI ổn định hơn trên bề mặt cực dương than chì.

Nhờ đó, quá trình tiêu hao lithium hoạt tính được hạn chế, đồng thời tạo điều kiện để ion lithium di chuyển hiệu quả hơn trong quá trình sạc và xả.

Pin vẫn giữ 95,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ

Điểm đáng chú ý nhất trong nghiên cứu là kết quả thử nghiệm độ bền của cell pin.

Ở nồng độ FPTI khoảng 4 mg/mL, cell sử dụng điện cực than chì có thể duy trì tới 95,6% dung lượng ban đầu sau 1.000 chu kỳ sạc.

Trong khi đó, mẫu đối chứng không sử dụng phụ gia chỉ còn khoảng 62,7% dung lượng sau cùng số chu kỳ. Đặc biệt, mẫu không có FPTI bắt đầu suy giảm nghiêm trọng sau khoảng 350 chu kỳ.

Sự khác biệt này cho thấy việc kiểm soát lớp SEI ngay từ giai đoạn đầu của vòng đời cell có thể đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion.

Nói cách khác, thay vì chỉ tập trung cải tiến vật liệu điện cực, các nhà khoa học đang tìm cách kiểm soát chính xác hơn những phản ứng xảy ra tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân.

FPTI làm giảm điện trở của lớp SEI

Cơ chế hoạt động của FPTI được cho là liên quan đến sự kết hợp của các thành phần chứa lưu huỳnh, imine và flo.

Trong quá trình hình thành lớp SEI, những thành phần này góp phần tạo nên một lớp màng giàu lithium fluoride (LiF). Lớp màng mới giúp cải thiện đặc tính bảo vệ bề mặt điện cực đồng thời hỗ trợ quá trình khuếch tán ion lithium.

Kết quả thử nghiệm cho thấy điện trở của lớp SEI giảm đáng kể, từ khoảng 7,6 ohm xuống còn 2,2 ohm khi sử dụng FPTI trong điều kiện phù hợp.

Điện trở thấp hơn có thể giúp ion lithium di chuyển thuận lợi hơn, từ đó hỗ trợ hiệu suất sạc và xả của cell.

Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với những ứng dụng yêu cầu pin hoạt động với cường độ cao như pin xe điện, thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Thử nghiệm trên pin NMC811 và than chì

Nhóm nghiên cứu không chỉ thử nghiệm FPTI trên cell sử dụng điện cực than chì mà còn đánh giá trên một cấu hình pin hoàn chỉnh hơn.

Cell thử nghiệm sử dụng cực âm NMC811 kết hợp với cực dương than chì. NMC811 là vật liệu cathode giàu nickel được quan tâm trong ngành công nghiệp pin lithium-ion nhờ khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao.

Tuy nhiên, khi đưa FPTI trực tiếp vào toàn bộ chất điện phân của cell, các nhà nghiên cứu nhận thấy điện trở ở phía cực âm tăng lên.

Điều này cho thấy một phụ gia có thể mang lại lợi ích cho một bề mặt điện cực nhưng đồng thời gây ra tác động không mong muốn ở một bề mặt khác.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu thay đổi cách sử dụng FPTI.

Chỉ tiền xử lý cực dương để tối ưu hiệu quả

Thay vì đưa FPTI trực tiếp vào toàn bộ chất điện phân, các nhà khoa học sử dụng hợp chất này để tiền xử lý riêng cực dương than chì trong giai đoạn chạy thử ban đầu.

Sau quá trình tiền xử lý, cell được lắp ráp với chất điện phân tiêu chuẩn.

Cách tiếp cận này cho phép nhóm nghiên cứu tận dụng khả năng hình thành lớp SEI ổn định của FPTI mà không làm gia tăng đáng kể điện trở ở phía cực âm.

Đây là điểm đáng chú ý bởi nó cho thấy việc phát triển công nghệ pin lithium trong tương lai không nhất thiết chỉ dựa vào việc tìm kiếm một vật liệu mới hoàn toàn. Việc kiểm soát chính xác quá trình hình thành giao diện giữa các vật liệu cũng có thể mang lại những cải thiện lớn về hiệu suất và tuổi thọ.

Mật độ năng lượng cell đạt khoảng 233 Wh/kg

Bên cạnh khả năng duy trì dung lượng, thử nghiệm trên cell hoàn chỉnh cũng ghi nhận kết quả đáng chú ý về mật độ năng lượng.

Ở nồng độ xử lý FPTI khoảng 4 mg/mL, cell đạt mật độ năng lượng khoảng 233 Wh/kg, trong khi mẫu đối chứng chỉ đạt khoảng 130 Wh/kg trong điều kiện thử nghiệm được công bố.

Nếu có thể tái tạo kết quả này trên các cell kích thước lớn và điều kiện vận hành thực tế, công nghệ xử lý giao diện bằng phụ gia có thể mang lại nhiều tiềm năng cho ngành pin lithium xe điện.

Mật độ năng lượng cao đồng nghĩa với việc cùng một khối lượng pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Đối với xe điện, điều này có thể góp phần tăng phạm vi hoạt động hoặc giảm khối lượng bộ pin nếu các yếu tố khác được giữ tương đương.

Công nghệ mới có thể ứng dụng cho pin xe điện?

Pin lithium-ion hiện là một trong những công nghệ pin quan trọng đối với xe điện. Tuy nhiên, tuổi thọ, tốc độ suy giảm dung lượng và chi phí thay thế bộ pin vẫn là những vấn đề được người dùng quan tâm.

Nếu công nghệ FPTI có thể được thương mại hóa, việc ổn định lớp SEI có thể mang lại lợi ích cho nhiều loại pin xe điện sử dụng vật liệu than chì ở cực dương.

Đặc biệt, việc duy trì dung lượng ở mức cao sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ có thể giúp kéo dài thời gian sử dụng của bộ pin.

Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chưa đồng nghĩa với việc công nghệ đã sẵn sàng được ứng dụng đại trà trên xe điện thương mại.

Tuổi thọ thực tế của pin lithium xe điện còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, tốc độ sạc, dòng xả, độ sâu xả, thiết kế BMS, vật liệu điện cực và điều kiện vận hành.

Do đó, cần thêm các thử nghiệm trên cell lớn hơn và trong nhiều điều kiện sử dụng khác nhau trước khi đánh giá đầy đủ khả năng thương mại hóa.

Tại sao kéo dài tuổi thọ pin lithium lại quan trọng?

Tuổi thọ là một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định tổng chi phí sở hữu của thiết bị sử dụng pin lithium.

Đối với xe điện, bộ pin thường là một trong những thành phần có giá trị cao nhất. Khi dung lượng suy giảm đáng kể, phạm vi di chuyển của xe cũng có thể giảm theo.

Nếu có thể duy trì dung lượng pin cao hơn trong thời gian dài, người dùng có thể giảm tần suất thay thế bộ pin và tối ưu chi phí sử dụng.

Ở quy mô lớn, tuổi thọ pin cao hơn cũng có thể mang lại lợi ích cho hệ thống lưu trữ năng lượng, xe điện và các thiết bị sử dụng pin lithium-ion.

Ngoài ra, kéo dài vòng đời của pin còn có ý nghĩa đối với quá trình tái sử dụng và tái chế pin, bởi một bộ pin có tuổi thọ dài hơn có thể tiếp tục được sử dụng trong những ứng dụng khác sau khi không còn đáp ứng tốt yêu cầu của xe điện.

Bước tiến mới trong công nghệ pin lithium-ion

Nghiên cứu về FPTI cho thấy một hướng tiếp cận đáng chú ý trong việc nâng cao độ bền của pin lithium-ion: kiểm soát các phản ứng hóa học ngay tại giao diện điện cực – chất điện phân.

Việc cell than chì duy trì tới 95,6% dung lượng sau 1.000 chu kỳ sạc, so với 62,7% ở mẫu đối chứng, cho thấy tiềm năng đáng kể của phương pháp này.

Tuy nhiên, trước khi có thể ứng dụng rộng rãi vào pin xe điện, pin lithium xe điện hay hệ thống lưu trữ năng lượng, công nghệ vẫn cần được kiểm chứng trên quy mô lớn hơn, trong thời gian dài hơn và với các điều kiện vận hành thực tế.

Nếu vượt qua được những bước thử nghiệm tiếp theo, các chất phụ gia có khả năng kiểm soát lớp SEI như FPTI có thể trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng giúp pin lithium bền hơn, ổn định hơn và duy trì dung lượng lâu hơn trong tương lai.