Pin lithium-ion dung lượng cao (LIB) có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình điện khí hóa phương tiện và các thiết bị điện tử lớn khác. Tuy nhiên, để triển khai thành công các loại pin này trên quy mô lớn, trước tiên các kỹ sư cần đảm bảo rằng chúng có thể hoạt động an toàn ở các nhiệt độ khác nhau và không bị hở khi quá nóng.
a , Cơ chế chuyển mạch nhiệt của TSM. Trong điều kiện làm việc bình thường, mạng dẫn nhiệt hoàn chỉnh cho việc vận chuyển phonon để đảm bảo độ dẫn nhiệt trên 1 W m −1 K −1 . Trong điều kiện TR, các mảnh 2D bị tách ra do sự giãn nở thể tích được kích hoạt bởi nhiệt của các vi cầu, dẫn đến độ dẫn nhiệt thấp hơn 0,1 W m −1 K −1 . Chiều rộng của mũi tên màu đỏ biểu thị cường độ của dòng nhiệt. b , Quá trình tự lắp ráp thông qua quá trình đóng băng các huyền phù kính hiển vi 2D-flake-để tạo thành một giàn giáo nhiều lớp xen kẽ cùng với sự thấm polymer. Các mảnh và vi hạt có thể được phân tán đồng đều trong nước để tạo thành bùn thông qua việc khuấy tốc độ cao. Trong quá trình đóng băng, vì các vi cầu rất giàu nhóm hydroxyl, nên cấu trúc lõi-vỏ vi cầu graphene–nước–lõi vi cầu có xu hướng hình thành trong quá trình trộn, dẫn đến cấu trúc trong đó các tấm graphene chồng lên nhau nhưng kết nối chặt chẽ với lớp vi cầu phản ứng nhiệt. . Sau khi đông khô, thu được bộ xương nhiều lớp xen kẽ, sau đó được thấm vào cao su silicon để thu được TSM.Credit: Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01535-5.
Một giải pháp phổ biến để cải thiện độ an toàn của LIB là sử dụng các lớp xen kẽ dẫn nhiệt, vật liệu được thiết kế để cân bằng nhiệt độ giữa các mô-đun của pin, đưa nhiệt độ lên khoảng 15 đến 45°C. Để đảm bảo LIB công suất cao được an toàn, những vật liệu này phải có khả năng cách nhiệt cao, nhờ đó ngăn chặn sự lan truyền nhiệt, đồng thời đảm bảo nhiệt độ được phân bố đồng đều trong pin.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa và Đại học Chiết Giang gần đây đã thiết kế một loại vật liệu chuyển đổi nhiệt mới đáp ứng cả hai tiêu chí và có thể điều chỉnh nhiệt độ một cách hiệu quả trong pin dung lượng cao. Vật liệu này, được giới thiệu trên tạp chí Nature Energy, phản ứng nhanh với nhiệt độ, cho phép vận hành pin an toàn trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
Wang, Feng và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Việc quản lý an toàn nhiệt hiệu quả phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt của vật liệu xen kẽ, tuy nhiên các thiết kế hiện tại thiếu khả năng đáp ứng cần thiết về cả hiệu suất và độ an toàn”. “Chúng tôi thiết kế một vật liệu chuyển mạch nhiệt có tỷ lệ chuyển đổi cao từ trạng thái dẫn nhiệt sang trạng thái cách nhiệt để giải quyết tình trạng khó khăn này.”
Vật liệu chuyển đổi nhiệt do Wang, Feng và các đồng nghiệp của họ thiết kế bao gồm các vi cầu được nhúng giữa các lớp graphene được kết nối. Đáng chú ý, các vi cầu mở rộng về thể tích để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ.
Sự giãn nở nhạy cảm với nhiệt độ của các vi hạt làm gián đoạn quá trình vận chuyển nhiệt bằng cách tách các lớp graphene 2D lân cận. Đổi lại, điều này giúp điều chỉnh nhiệt độ bên trong các tế bào pin, ngăn chúng phát nổ.
Để đánh giá hiệu suất của vật liệu mà họ thiết kế, các nhà nghiên cứu đã tích hợp nó vào LIB 50 Ah Ni–Co–Mn, sử dụng nó làm lớp xen kẽ giữa các tế bào. Phát hiện của họ rất hứa hẹn, vì vật liệu này được cho là hoạt động thành công như một bộ điều chỉnh nhiệt, ngăn chặn sự lan truyền nhiệt và các phản ứng dây chuyền có thể dẫn đến vụ nổ.
"Vật liệu chuyển mạch nhiệt được thiết kế có phạm vi nhiệt độ rộng để dẫn nhiệt (1,33 W m-1 K-1 ở nhiệt độ phòng) và có thể chuyển sang trạng thái đoạn nhiệt trong vòng 30 giây (0,1 W m-1 K-1 ở khoảng 100 °C) khi được làm nóng”, Wang, Feng và các đồng nghiệp của họ viết.
"Khi được áp dụng làm lớp xen kẽ giữa các tế bào cho một mô-đun có bốn tế bào lithium-ion niken-coban-mangan 50 Ah, vật liệu này không chỉ đảm bảo phân bổ nhiệt độ đồng đều trong điều kiện làm việc bình thường mà quan trọng hơn là ngăn chặn 80% nhiệt lượng tỏa ra. truyền từ sự thoát nhiệt, tránh hiệu quả vụ nổ pin thảm khốc."
Bộ điều chỉnh nhiệt mới do nhóm nghiên cứu này giới thiệu có thể sớm được triển khai và thử nghiệm trên các loại pin dung lượng cao khác. Trong tương lai, nó có thể góp phần thương mại hóa và sử dụng rộng rãi các loại pin này, đảm bảo an toàn cho chúng ở các vùng khí hậu khác nhau trên Trái đất và ở các điều kiện hoạt động khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi tin rằng thiết kế vật liệu phản ứng nhiệt này sẽ đảm bảo an toàn và hiệu suất cao trong suốt vòng đời của các mô-đun pin mật độ năng lượng cao”.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
