Bốc hơi nhiệt nổi lên như một chiến lược đầy hứa hẹn cho sản xuất pin thể rắn có thể mở rộng quy mô
Phân tích độ dày cực dương kim loại lithium trong pin thể rắn. Nguồn: Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01676-7
Pin lithium thể rắn là giải pháp lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc dạng gel có trong pin lithium-ion (LiB) truyền thống. So với LiB và các loại pin khác được sử dụng trên toàn thế giới, những loại pin này có thể đạt được mật độ năng lượng cao hơn đáng kể, hơn 500 Wh/kg−1 và 1.000 Wh/l−1, có thể có lợi cho việc cung cấp năng lượng cho xe điện và các thiết bị điện tử khác trong thời gian dài hơn.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng pin lithium thể rắn hiện có vẫn có những hạn chế đáng kể, cho đến nay vẫn chưa thể triển khai trên diện rộng. Những điều này bao gồm tổn thất lithium hoạt động có thể xảy ra trong khi pin được sạc và xả, có thể làm giảm hiệu suất và hiệu suất tổng thể của pin.
Tổn thất lithium này là do lớp mạ lithium không đồng nhất. Do đó, việc đưa ra các chiến lược hiệu quả và lá kim loại lithium mỏng có thể hạn chế tổn thất lithium trong pin thể rắn là mục tiêu chính của cộng đồng nghiên cứu năng lượng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford, Viện Faraday, Nissan Motor Co. Ltd. và các viện nghiên cứu khác gần đây đã thực hiện một nghiên cứu khám phá các công nghệ và quy trình khác nhau để tạo ra các cực dương kim loại lithium mỏng cho pin thể rắn. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, tóm tắt kết quả của một phân tích kỹ thuật và kinh tế chi tiết, cho thấy rằng sự bốc hơi nhiệt có thể là một chiến lược đầy hứa hẹn để chế tạo các màng này có thể mở rộng quy mô.
"Pin kim loại lithium thể rắn cho thấy triển vọng đáng kể trong việc khắc phục những hạn chế về mặt lý thuyết của pin Li-ion để cho phép mật độ năng lượng theo trọng lượng và thể tích lên tới 500 Wh kg−1 và 1.000 Wh l−1", Matthew Burton, Sudarshan Narayanan và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ.
"Mặc dù cấu hình không dư lithium đặc biệt hấp dẫn, nhưng mạ lithium không đồng nhất khi sạc sẽ dẫn đến tổn thất lithium hoạt động và hình phạt hiệu suất coulomb sau đó".
Các phương pháp hiện tại để giải quyết tổn thất lithium hoạt động được quan sát thấy trong pin thể rắn dựa vào việc sử dụng lithium dư thừa. Tuy nhiên, lithium dư thừa ảnh hưởng xấu đến mật độ năng lượng của pin, do đó, việc chế tạo đáng tin cậy các lá lithium có độ dày hạn chế là vô cùng quan trọng.
Burton, Narayanan và các đồng nghiệp của họ đã thực hiện nhiều phân tích và tính toán khác nhau nhằm mục đích nghiên cứu tiềm năng của các phương pháp và công nghệ sản xuất khác nhau để chế tạo các màng lithium mỏng này trên quy mô lớn. Phân tích của họ cho thấy rằng bốc hơi nhiệt có thể là một phương pháp đặc biệt hứa hẹn và tiết kiệm chi phí để tạo ra các thành phần pin thể rắn quan trọng này.
"Chúng tôi thảo luận về tính khả thi của nhiều công nghệ khác nhau để tạo ra các màng lithium mỏng có thể mở rộng quy mô lên đến khối lượng cần thiết cho sản xuất gigafactory", Burton, Narayanan và các đồng nghiệp của họ đã viết.
"Chúng tôi xác định bốc hơi nhiệt là một con đường có khả năng tiết kiệm chi phí để giải quyết những thách thức này và đưa ra đánh giá kinh tế kỹ thuật về chi phí dự kiến liên quan đến việc chế tạo các lá kim loại lithium mỏng, dày đặc bằng quy trình này. Cuối cùng, chúng tôi ước tính chi phí đóng gói thể rắn được thực hiện bằng cách sử dụng các lá lithium bốc hơi nhiệt".
Bài báo của Burton, Narayanan và các đồng nghiệp của họ có thể truyền cảm hứng cho những nỗ lực trong tương lai nhằm phát triển pin lithium thể rắn có khả năng mở rộng quy mô, ví dụ, khuyến khích nhiều nhà nghiên cứu hơn tạo ra các cực dương kim loại lithium bằng phương pháp bốc hơi nhiệt. Cuối cùng, điều này có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các giải pháp pin đầy hứa hẹn này, từ đó có thể góp phần vào việc thương mại hóa và áp dụng rộng rãi các giải pháp này.
