Một số công ty khởi nghiệp và OEM gần đây đã công bố những đổi mới có thể đẩy nhanh việc áp dụng xe điện.
Phát triển pin lithium thế hệ tiếp theo dựa trên chất điện phân rắn về cơ bản có thể giải quyết một số vấn đề chính trong xe điện (EV):
- Phạm vi: Hầu hết EV có phạm vi hoạt động 300 dặm hoặc ít hơn.
- Thời gian sạc: Phải mất hơn một giờ để sạc lại các bộ pin hiện tại trong khi mất khoảng 10 phút để sạc một chiếc xe điện được trang bị pin thể rắn.
- Mất điện tích: Tế bào pin có thể mất gần một phần ba công suất trong vòng một thập kỷ.
- An toàn: Các chất điện phân lỏng thông thường lấy các ion liti giữa các điện cực gây ra rủi ro an toàn nghiêm trọng do sử dụng các vật liệu dễ cháy.
Một số công ty khởi nghiệp và OEM hiện tại đang cố gắng phát triển pin thể rắn đã công bố những đổi mới có thể đẩy nhanh việc áp dụng xe điện bằng cách cung cấp cho các nhà sản xuất ô tô một giải pháp thay thế an toàn hơn, rẻ hơn cho pin lithium-ion.
Ví dụ, QuantumScape, công ty có quan hệ đối tác chiến lược với Volkswagen, đã công bố kết quả thử nghiệm đầy hứa hẹn cho một tế bào pin trạng thái rắn. Đồng thời, một công ty khởi nghiệp sáu năm tuổi có tên Solid Power tiết lộ rằng họ đã tạo ra một tế bào trạng thái rắn hoạt động và đang sản xuất pin nguyên mẫu với 10 lớp xếp chồng lên nhau tại một nhà máy thí điểm ở Colorado.
Hơn nữa, Toray Industries đã tạo ra một dải phân cách không xốp (non-porous) cho pin lithium-ion có thể tăng đáng kể dung lượng pin bằng cách tăng cường độ an toàn của cực dương kim loại lithium và Toyota cho biết họ có kế hoạch trang bị công nghệ pin thể rắn trong các phương tiện sản xuất của mình bằng vào năm 2025.
QuantumScape
Trong một thông cáo báo chí, QuantumScape, một công ty khởi nghiệp 10 năm tuổi ở San Jose, California, đã cung cấp kết quả kỹ thuật từ các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm về pin thể rắn của họ. Trước đây, pin thể rắn làm việc với kim loại lithium ở mức năng lượng cao thường có tuổi thọ ngắn và tốc độ sạc chậm. Nhưng theo QuantumScape, tế bào không cháy của nó có thể sạc đến 80% dung lượng trong 15 phút, giữ lại hơn 80% dung lượng sau 800 chu kỳ sạc và có mật độ năng lượng thể tích hơn 1.000 watt-giờ mỗi lít, gần gấp đôi. mật độ năng lượng của các tế bào lithium-ion thương mại.
Cathode của QuantumScape, hoặc cực dương, bao gồm oxit niken mangan coban, phổ biến trong pin EV. Tuy nhiên, điện cực âm hay còn gọi là anode của nó được làm từ kim loại lithium nguyên chất được tạo thành tại chỗ khi tế bào hoàn thiện được sạc, thay vì khi tế bào được sản xuất (Hình 1).
Thiết kế trạng thái rắn của công ty làm tăng thêm mật độ năng lượng vì nó được cho là không yêu cầu lượng lithium dư thừa trên anode. Một số nỗ lực trước đây đối với pin thể rắn đã sử dụng anode lithium tích tụ, làm giảm mật độ năng lượng.
Bước đột phá quan trọng là việc sử dụng một lớp phân cách bằng sứ giữa cực âm và cực dương để thay thế chất điện phân lỏng được sử dụng trong các tế bào pin thông thường. Giống như chất điện phân lỏng trong sơ đồ này, các ion lithium chảy từ cực này sang cực khác khi pin sạc và phóng điện. Trong quá trình phóng điện, lithium chảy từ anode sang cathode và phía anode bị nén. Mỏng như sợi tóc người, lớp phân tách là “yếu tố bí mật” của pin ở trạng thái rắn. Nó phải hoạt động như một rào cản giữ cho các tinh thể phân nhánh (Dendrites) lithium — các tua kim loại hình thành trên các anode kim loại lithium trong các chu kỳ tích điện — không đi giữa các điện cực và gây ra đoản mạch.
Dendrites là do một hiện tượng trong đó các tinh thể hình nhánh phát triển trên bề mặt của điện cực âm do một phản ứng hóa học không đồng đều. Các đuôi gai Lithium dendrites hình thành dọc theo các lỗ xốp của màng vi xốp. Loại bỏ các lỗ phân cách có thể ngăn chặn sự phát triển như vậy, nhưng nhược điểm là làm giảm đáng kể khả năng thẩm thấu của lithium-ion. Lớp phân cách trạng thái rắn của QuantumScape thay thế lớp phân cách hữu cơ được sử dụng trong các tế bào thông thường, cho phép cấu trúc không có anode, không có lượng lithium dư thừa.
Trong quá khứ, các nỗ lực chế tạo pin ở trạng thái rắn đã dựa vào polyme — vật liệu phân tách được lựa chọn trong pin điện phân lỏng — hoặc gốm cứng. Thật không may, polyme không chặn được đuôi gai dendrites. Và gốm sứ được sử dụng cho pin thể rắn thử nghiệm đã được chứng minh là quá giòn để có thể tồn tại trong đủ chu kỳ sạc. QuantumScape đã không tiết lộ bản chất của lớp phân tách mà họ sử dụng ngoài việc nói rằng vật liệu sẵn có.
Kết quả mới được công bố của QuantumScape, dựa trên thử nghiệm các tế bào pin một lớp, cho thấy các lớp phân tách trạng thái rắn của nó có khả năng hoạt động ở mức năng lượng rất cao, cho phép sạc trong 15 phút đến 80% dung lượng, nhanh hơn các loại pin thông thường có khả năng cung cấp.
Các tế bào được thử nghiệm là các tế bào túi một lớp có diện tích lớn ở dạng thương mại mục tiêu với các cathode dày chạy ở tốc độ một giờ sạc và phóng điện ở 30 °C. Các thử nghiệm này cho thấy khả năng giữ lại lớn hơn 80% sau 800 chu kỳ.
Tế bào mỏng do QuantumScape tiết lộ dự định sẽ được xếp chồng lên nhau với khoảng 100 tế bào khác để tạo thành một tế bào đầy đủ có kích thước bằng một bộ bài. Cho đến nay, công ty vẫn chưa thử nghiệm một tế bào xếp chồng hoàn toàn.
Solid Power
Một công ty khởi nghiệp sáu năm tuổi có tên Solid Power cũng đã tạo ra một tế bào trạng thái rắn hoạt động. Chất điện phân lỏng dễ cháy trong pin lithium-ion thông thường được thay thế bằng chất điện phân rắn sulfide độc quyền. Solid Power đã bắt đầu sản xuất pin lithium-kim loại rắn 22 lớp, 330 Wh/kg trên dây chuyền sản xuất cuộn (roll-to-roll) liên tục của công ty tại một nhà máy thí điểm ở Louisville, Colorado (Hình 2). Công ty có lộ trình vượt 400 Wh/kg vào năm 2022.
Solid Power có quan hệ đối tác với một số nhà sản xuất ô tô, bao gồm BMW, Hyundai và Ford, để cùng phát triển pin thể rắn toàn phần. Công ty cũng được hỗ trợ bởi các nhà đầu tư nổi tiếng bao gồm Samsung, Volta Energy Technologies và Solvay.
Các tế bào túi 10 lớp, 2-Ah của Solid Power đang cho thấy chu kỳ đầu ổn định ở gần nhiệt độ phòng, trong khi các tế bào túi hai lớp tương ứng đã vượt qua 250 chu kỳ ổn định. Những tiến bộ hơn nữa được dự đoán trước khi bước vào quá trình cấp chứng chỉ ô tô chính thức.
Solid Power đã trình diễn các thành phần điện cực mới nhất của công ty, sẽ chuyển sang dây chuyền sản xuất vào năm 2021, bao gồm:
- Hoạt động −10 ° C
- Sạc nhanh 50% trong 15 phút ở nhiệt độ phòng
- Độ dày dải phân cách thấp đến 25 micron
Công ty dự kiến sẽ bước vào quy trình kiểm định ô tô chính thức vào đầu năm 2022 với các tế bào pin thể rắn có dung lượng lớn hơn nữa.
Toray Industries
Toray Industries đã tạo ra một lớp phân tách không xốp cho pin lithium-ion có thể tăng đáng kể dung lượng bằng cách tăng cường độ an toàn của pin anode lithium-metal. Toray đã giải quyết thách thức của các đuôi gai dendrites lithium hình thành trên bề mặt kim loại lithium trong quá trình sạc – xuyên qua các dải phân cách và gây đoản mạch làm giảm độ an toàn – bằng cách sử dụng công nghệ thiết kế phân tử polyme aramid chịu nhiệt cao. Do đó, công ty đã có thể ngăn chặn sự hình thành dendrite trong pin anode kim loại lithium trong khi vẫn giữ độ dẫn ion. Họ đã làm như vậy bằng cách sử dụng polyme làm chất phân tách không xốp (non-porous) bao gồm một lớp không lỗ trên lớp phân tách vi xốp.
Toray đã chỉ ra rằng một pin có lớp phân tách như vậy đã triệt tiêu các mạch ngắn do đuôi gai và duy trì hơn 80% dung lượng của nó sau 100 chu kỳ sạc/xả. Công ty cũng cho biết họ sẽ đẩy nhanh nghiên cứu và phát triển để thiết lập nhanh chóng các công nghệ với pin anode kim loại lithium để nó có thể cung cấp dung lượng cực cao và an toàn cho pin lithium-ion của tương lai.
Toyota
Toyota đang phát triển một tế bào thể rắn mà các quan chức của công ty cho biết sẽ có khả năng thực hiện một chuyến đi dài 500 km trong một lần sạc và sạc đầy từ 0 đến đầy trong 10 phút. Và tế bào pin sẽ làm như vậy với những lo ngại về an toàn tối thiểu. Toyota đã lên kế hoạch công bố pin thể rắn của mình tại Thế vận hội Tokyo năm ngoái trước khi nó bị hoãn lại do đại dịch.
Toyota còn có kế hoạch trở thành công ty đầu tiên bán xe điện được trang bị pin thể rắn vào đầu những năm 2020. Nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới dự kiến sẽ công bố một nguyên mẫu trong năm nay.
ElectronicDesign
