Các nhà điện hóa học cho biết sự ăn mòn của pin lithium là rào cản không thể tránh khỏi đối với quá trình chuyển đổi sạch
bởi Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Sơ đồ cho thấy các nguồn ăn mòn chính trong pin lithium: 1) bộ thu dòng làm bằng nhôm, 2) bản thân lithium và 3) vỏ thép không gỉ của pin. Nguồn: Năng lượng nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Lưu trữ năng lượng là một yếu tố thiết yếu của quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, từ điện khí hóa ô tô đến giúp giải quyết tình trạng gián đoạn của các loại năng lượng tái tạo khác nhau như gió và mặt trời. Pin lithium-ion (Li-ion) đã là một trong những lựa chọn lưu trữ năng lượng nổi bật nhất do mật độ năng lượng cao và chi phí tương đối thấp và ngày càng giảm. Dường như cũng có sự tăng trưởng không ngừng đối với các loại thiết bị điện tử, từ điện thoại di động đến máy tính xách tay, kéo theo nhu cầu tương tự đối với các loại pin này.
Tuy nhiên, mặc dù các chuyên gia điện hóa và nhà sản xuất pin đã mang đến những cải tiến ổn định trong nhiều năm, nhưng ngay cả pin Li-ion hiện đại nhất vẫn tiếp tục gặp khó khăn trong việc hỗ trợ nhiều ứng dụng lưu trữ năng lượng hạng nặng. Điều này một phần là do tuổi thọ lịch ngắn của họ.
Pin có dung lượng (tổng lượng điện mà nó có thể sản xuất) đã giảm xuống 80% so với dung lượng ban đầu được cho là đã hết tuổi thọ theo lịch. Đối với các ứng dụng nặng như lưu trữ năng lượng quy mô lưới, để tránh chi phí thay thế cao, tuổi thọ theo lịch của pin Li-ion cần trong khoảng 15–20 năm sau khi lắp đặt.
Nhưng công nghệ vẫn còn lâu mới thực hiện được lời hứa đó. Các nhà nghiên cứu cho biết rằng để lưu trữ năng lượng hạng nặng đạt được nhiều thành công hơn về mặt thương mại, việc điều tra nguyên nhân gây ra sự ăn mòn pin lithium và cách hạn chế điều này cần được chú ý nhiều hơn.
Họ đã công bố phát hiện của mình trong Nano Research Energy vào ngày 09 tháng 12 năm 2022.
Giống như tất cả các loại pin, tuổi thọ theo lịch của pin lithium, kể cả pin Li-ion, được quyết định bởi mức độ ổn định (khả năng chống xuống cấp) của chúng trong quá trình bảo quản và chu kỳ sạc.
Và độ ổn định của chu kỳ lần lượt phụ thuộc vào độ ổn định của cực dương (điện cực âm), cực âm (điện cực dương) và chất điện phân (môi trường cung cấp cơ chế vận chuyển ion giữa các điện cực)—cả hai đều ở giao diện giữa các thành phần pin này và trong vật liệu khối của chúng (phần chính của khối lượng của chúng).
Các nhà điện hóa đã nỗ lực rất nhiều để tối ưu hóa cấu trúc vật liệu khối, sửa đổi giao diện và thiết kế chất điện phân tốt hơn nhằm cải thiện độ ổn định của chu kỳ.
Xue-Qiang Zhang, tác giả bài báo từ Viện Công nghệ Bắc Kinh, cho biết: “Nhưng tương đối ít nỗ lực hơn trong việc cải thiện yếu tố thứ hai quyết định tuổi thọ của lịch: độ ổn định của kho lưu trữ,” và “và điều này bị ăn mòn như thế nào”.
Pin lithium có thể dành thời gian dài để lưu trữ năng lượng và không quay vòng. Trong quá trình bảo quản, có nhiều phản ứng hóa học không mong muốn khác nhau dẫn đến sự xuống cấp của các bộ phận vì nhiều lý do, nhất là khả năng phản ứng cao của vật liệu điện cực và sự không tương thích giữa phần tử thu dòng điện và chất điện phân. Sự xuống cấp này—còn được gọi là ăn mòn—làm suy giảm tính ổn định về cấu trúc của pin, cuối cùng là rút ngắn tuổi thọ theo lịch.
Do đó, bất kỳ nỗ lực nào nhằm cải thiện tính ổn định của kho lưu trữ phải tập trung vào việc hiểu rõ hơn về cơ chế ăn mòn và phát triển các chiến lược để ngăn chặn nó.
"Chúng tôi muốn đưa ra một cái nhìn tổng quan về hiện trạng hiểu biết về ăn mòn và ổn định lưu trữ để hiểu rõ hơn và giải quyết các lỗ hổng nghiên cứu," Jia-Qi Huang, đồng thời là tác giả bài báo từ Viện Công nghệ Bắc Kinh, cho biết thêm. "Ăn mòn phần lớn vẫn chưa được giải quyết. vấn đề trong tất cả các loại pin lithium."
Sau khi khảo sát các tài liệu khoa học về chủ đề này, các tác giả đã kết luận rằng các phản ứng ăn mòn trong pin Li chủ yếu liên quan đến ba khía cạnh: ăn mòn điện hóa của bộ thu dòng điện bằng nhôm, ăn mòn điện hóa của vỏ thép không gỉ bao quanh pin và ăn mòn điện hóa (khi một kim loại bị ăn mòn nhiều hơn một kim loại khác mà nó tiếp xúc điện và cả hai đều được ngâm trong dung dịch điện phân) của cực dương. Cuối cùng, sự ăn mòn bắt nguồn từ các phản ứng hóa học và điện hóa giữa vật liệu điện cực và chất điện phân.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào ba chiến lược chính để ức chế sự ăn mòn: cố gắng điều chỉnh tốt hơn các phản ứng phân hủy chất điện phân; cách ly vật liệu điện cực khỏi chất điện phân bằng một số dạng lớp phủ nhân tạo; và cố gắng giảm khả năng phản ứng của vật liệu điện cực thông qua việc sửa đổi bề mặt của chúng.
Các tác giả đã đưa ra năm khuyến nghị chính để thúc đẩy nghiên cứu về các vấn đề ăn mòn của bộ lưu trữ pin lithium.
Đầu tiên, cần phải thực hiện nhiều công việc hơn nữa để điều tra sự ăn mòn điện hóa, hiện tượng phổ biến trong bột lithium
tức là Có rất ít chiến lược hiệu quả để giảm thiểu điều này hiện nay. Sửa đổi bề mặt của bộ thu dòng điện bằng đồng là một trong những chiến lược khả thi đáng để nghiên cứu. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các chất phụ gia điện giải. Phát triển lớp phủ bề mặt bảo vệ cho lá đồng có thể là một cách tiếp cận khác.
Thứ hai, bất kỳ chiến lược cải tiến nào trong tương lai cần được đánh giá trong các điều kiện thực tế về nhiệt độ, độ ẩm, v.v., không chỉ trong phòng thí nghiệm. Các tác giả nhận thấy rằng hầu hết các chiến lược ức chế ăn mòn mới thường được đánh giá trong điều kiện môi trường rất ôn hòa trong phòng thí nghiệm chứ không phải trong thế giới thực.
Liên quan, một chiến lược thứ ba sẽ tập trung vào việc tăng tốc các phương pháp đánh giá này. Ăn mòn thường là một quá trình chậm, vì vậy việc đánh giá nhất thiết phải tốn thời gian và do đó tốn kém. Tìm ra một cách để tăng tốc độ này lên là điều cần thiết.
Bên cạnh quan sát trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu nên áp dụng các phương pháp theo dõi thời gian thực để nắm bắt sự hiểu biết về sự ăn mòn trong pin đang hoạt động. Điều này sẽ cho phép khả năng nhận biết tình trạng khỏe mạnh của pin tốt hơn, từ đó dự đoán chính xác hơn thời lượng pin và tránh hỏng pin đột ngột.
Cuối cùng, và làm trầm trọng thêm tất cả những vấn đề này, các thiết kế pin mới liên tục xuất hiện. Vật liệu điện cực và chất điện phân mới liên tục được phát triển. Hiệu suất đạp xe của những thiết kế mới lạ này được kiểm tra thường xuyên, nhưng không kiểm tra tác động của chúng đối với sự ăn mòn. Tuy nhiên, những vật liệu mới như vậy có khả năng làm thay đổi cơ chế ăn mòn tương ứng và do đó yêu cầu thay đổi chiến lược ức chế ăn mòn.
Các tác giả của bài đánh giá hy vọng rằng một khi các nhà nghiên cứu về pin chấp nhận các khuyến nghị của họ, thì có thể tạo ra một số bước đột phá thực sự chống lại sự ăn mòn của pin lithium và do đó kéo dài tuổi thọ của lịch.
