Các nhà nghiên cứu khám phá ra một cách đáng ngạc nhiên để khởi động hiệu suất pin
bởi Glennda Chui, Phòng thí nghiệm tăng tốc quốc gia SLAC
Việc sạc pin lithium-ion lần đầu tiên ở dòng điện cao trước khi chúng rời khỏi nhà máy nhanh hơn 30 lần và tăng tuổi thọ của pin lên 50%. Nguồn: Greg Stewart/Phòng thí nghiệm tăng tốc quốc gia SLAC
Lần sạc đầu tiên của pin lithium-ion quan trọng hơn bạn nghĩ. Nó quyết định pin sẽ hoạt động tốt như thế nào và trong bao lâu kể từ đó—cụ thể là pin có thể xử lý được bao nhiêu chu kỳ sạc và xả trước khi bị hỏng.
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay trên Joule, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm pin SLAC-Stanford báo cáo rằng việc sạc pin lần đầu tiên ở dòng điện cao bất thường đã tăng tuổi thọ trung bình của pin lên 50% trong khi giảm thời gian sạc ban đầu từ 10 giờ xuống chỉ còn 20 phút.
Quan trọng không kém, các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng máy học khoa học để xác định chính xác những thay đổi cụ thể trong điện cực pin, nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng tuổi thọ và hiệu suất này—những hiểu biết vô giá đối với các nhà sản xuất pin đang tìm cách hợp lý hóa quy trình và cải thiện sản phẩm của họ.
Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm SLAC/Stanford do Giáo sư Will Chueh đứng đầu, hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu Toyota (TRI), Viện công nghệ Massachusetts và Đại học Washington. Đây là một phần trong nghiên cứu về tính bền vững của SLAC và là nỗ lực rộng lớn hơn nhằm tái hiện tương lai năng lượng của chúng ta bằng cách tận dụng các công cụ, chuyên môn và quan hệ đối tác độc đáo của phòng thí nghiệm với ngành công nghiệp.
"Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách SLAC đang thực hiện khoa học sản xuất để làm cho các công nghệ quan trọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng trở nên hợp lý hơn", Chueh cho biết. "Chúng tôi đang giải quyết một thách thức thực sự mà ngành công nghiệp đang phải đối mặt; quan trọng là chúng tôi hợp tác với ngành công nghiệp ngay từ đầu".
Steven Torrisi, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại TRI, người đã cộng tác vào nghiên cứu này, cho biết kết quả có ý nghĩa thực tế đối với việc sản xuất không chỉ pin lithium-ion cho xe điện và lưới điện mà còn cho các công nghệ khác.
"Nghiên cứu này rất thú vị đối với chúng tôi", ông cho biết. "Sản xuất pin đòi hỏi rất nhiều vốn, năng lượng và thời gian. Phải mất rất nhiều thời gian để khởi động sản xuất một loại pin mới và thực sự rất khó để tối ưu hóa quy trình sản xuất vì có rất nhiều yếu tố liên quan".
Torrisi cho biết kết quả của nghiên cứu này "chứng minh một cách tiếp cận tổng quát để hiểu và tối ưu hóa bước quan trọng này trong sản xuất pin. Hơn nữa, chúng tôi có thể chuyển những gì đã học được sang các quy trình, cơ sở, thiết bị và hóa chất pin mới trong tương lai".
Một 'lớp mềm' đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất của pin
Để hiểu những gì xảy ra trong chu kỳ ban đầu của pin, nhóm của Chueh đã chế tạo các ô túi trong đó các điện cực dương và âm được bao quanh bởi dung dịch điện phân nơi các ion lithium di chuyển tự do.
Khi pin sạc, các ion lithium chảy vào điện cực âm để lưu trữ. Khi pin xả, chúng chảy ngược ra ngoài và di chuyển đến điện cực dương; điều này kích hoạt một luồng electron để cấp điện cho các thiết bị, từ ô tô điện đến lưới điện.
Theo nghiên cứu tại Trung tâm pin SLAC-Stanford, việc sạc pin lithium-ion mới tại nhà máy với dòng điện cao làm cạn kiệt đáng kể nguồn cung cấp lithium nhưng kéo dài tuổi thọ của pin. Lithium bị mất thường được sử dụng để tạo thành lớp bảo vệ gọi là SEI trên điện cực âm. Tuy nhiên, trong điều kiện sạc nhanh, các ion lithium cũng bị tiêu thụ trong các phản ứng phụ ở điện cực âm. Điều này tạo ra khoảng trống bổ sung ở cả hai điện cực và giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin. Nguồn: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC
Xiao Cui, nhà nghiên cứu chính của nhóm tin học pin tại phòng thí nghiệm của Chueh, cho biết điện cực dương của pin mới được đúc chứa 100% lithium. Mỗi khi pin trải qua chu kỳ sạc-xả, một số lithium sẽ bị vô hiệu hóa. Giảm thiểu những tổn thất đó sẽ kéo dài tuổi thọ hoạt động của pin.
Thật kỳ lạ, một cách để giảm thiểu tổn thất lithium tổng thể là cố tình mất một tỷ lệ lớn nguồn cung cấp lithium ban đầu trong lần sạc đầu tiên của pin, Cui cho biết. Giống như thực hiện một khoản đầu tư nhỏ mang lại lợi nhuận tốt sau này.
Tổn thất lithium chu kỳ đầu tiên này không phải là vô ích. Lithium bị mất trở thành một phần của lớp nhão được gọi là pha điện phân rắn, hay SEI, hình thành trên bề mặt của điện cực âm trong lần sạc đầu tiên. Đổi lại, SEI bảo vệ điện cực âm khỏi các phản ứng phụ sẽ đẩy nhanh quá trình mất lithium và làm pin xuống cấp nhanh hơn theo thời gian. Việc đạt được SEI chính xác là rất quan trọng đến mức lần sạc đầu tiên được gọi là điện tích hình thành.
Cui cho biết "Hình thành là bước cuối cùng trong quy trình sản xuất", "vì vậy nếu nó bị hỏng, tất cả giá trị và công sức đầu tư vào pin cho đến điểm
bị lãng phí."
Dòng điện sạc cao làm tăng hiệu suất pin
Các nhà sản xuất thường sạc pin mới lần đầu tiên với dòng điện thấp, theo lý thuyết thì điều này sẽ tạo ra lớp SEI mạnh mẽ nhất. Nhưng có một nhược điểm: Sạc ở dòng điện thấp tốn thời gian và tốn kém, và không nhất thiết mang lại kết quả tối ưu. Vì vậy, khi các nghiên cứu gần đây cho thấy sạc nhanh hơn với dòng điện cao hơn không làm giảm hiệu suất pin, thì đó là một tin tức thú vị.
Nhưng các nhà nghiên cứu muốn đào sâu hơn. Dòng điện sạc chỉ là một trong số hàng chục yếu tố tạo nên SEI trong lần sạc đầu tiên. Việc thử nghiệm tất cả các kết hợp có thể có của chúng trong phòng thí nghiệm để xem kết hợp nào hiệu quả nhất là một nhiệm vụ quá sức.
Để thu hẹp vấn đề xuống mức có thể quản lý được, nhóm nghiên cứu đã sử dụng máy học khoa học để xác định những yếu tố nào là quan trọng nhất để đạt được kết quả tốt. Họ ngạc nhiên khi chỉ có hai trong số đó—nhiệt độ và dòng điện mà pin được sạc—nổi bật hơn tất cả các yếu tố còn lại.
Các thí nghiệm đã xác nhận rằng sạc ở dòng điện cao có tác động rất lớn, giúp tăng tuổi thọ của pin thử nghiệm trung bình lên 50%. Phương pháp này cũng vô hiệu hóa tỷ lệ phần trăm lithium cao hơn nhiều ở phía trước—khoảng 30%, so với 9% của các phương pháp trước đó—nhưng điều đó hóa ra lại có tác động tích cực.
Cui cho biết, việc loại bỏ nhiều ion lithium hơn ở phía trước cũng giống như việc múc nước ra khỏi một chiếc xô đầy trước khi mang đi. Khoảng trống phía trên trong xô làm giảm lượng nước bắn ra trên đường đi. Tương tự như vậy, việc vô hiệu hóa nhiều ion lithium hơn trong quá trình hình thành sẽ giải phóng khoảng trống phía trên ở điện cực dương và cho phép điện cực tuần hoàn theo cách hiệu quả hơn, cải thiện hiệu suất sau đó.
"Tối ưu hóa bằng cách thử và sai là phương pháp thường dùng trong sản xuất - chúng ta nên thực hiện lần sạc đầu tiên như thế nào và sự kết hợp các yếu tố chiến thắng là gì?" Chueh cho biết. "Ở đây, chúng tôi không chỉ muốn xác định công thức tốt nhất để tạo ra một loại pin tốt; chúng tôi muốn hiểu cách thức và lý do tại sao nó hoạt động. Sự hiểu biết này rất quan trọng để tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa hiệu suất pin và hiệu quả sản xuất".
