Pin thể rắn được coi là ngọn hải đăng hy vọng trong nghiên cứu pin bởi vì, trong số những thứ khác, chúng có thể lưu trữ lượng năng lượng cao hơn và sạc nhanh hơn so với chất điện phân lỏng thông thường.
Trưởng phòng Nghiên cứu về Phương pháp và Chất điện phân, Tiến sĩ Gunther Brunklaus từ Viện Helmholtz Münster (HI MS; IEK-12) của Forschungszentrum Jülich giải thích trong một cuộc phỏng vấn tại sao ông lại tập trung đặc biệt vào vật liệu chất điện phân polymer, những gì vẫn cần được thực hiện trước khi chúng được cho là sẵn sàng đưa ra thị trường và những ứng dụng nào có triển vọng cho pin thể rắn.
Những hy vọng hiện đang được thảo luận liên quan đến pin thể rắn, tiềm năng của chúng là gì?
Gunther Brunklaus: Trên hết, một hy vọng bao gồm lượng năng lượng cao hơn có thể được lưu trữ trong chất điện phân rắn với lượng vật liệu tương đương so với trong các hệ thống pin thông thường có chất điện phân lỏng. Điều này có nghĩa là có thể đạt được phạm vi dài hơn trong các ứng dụng dành cho thiết bị di động chẳng hạn. Ít vật liệu hơn có thể dẫn đến lượng khí thải CO 2 thấp hơn trong quá trình sản xuất và cũng có thể sạc nhanh hơn so với chất điện phân lỏng.
Tại sao lượng năng lượng cao hơn có thể được lưu trữ?
Brunklaus: Ví dụ, có thể khai thác các vật liệu cực dương khác, chẳng hạn như kim loại lithium, cho phép công suất riêng cao hơn đáng kể so với các cực dương than chì được áp dụng thông thường. Về phía cực âm, có khả năng sử dụng các vật liệu trước đây chưa hoạt động với chất điện phân lỏng. Ngẫu nhiên, pin thể rắn đã được sử dụng trong các ứng dụng như máy điều hòa nhịp tim và đồng hồ thông minh.
Với những ứng dụng này, chủ đề an toàn ngay lập tức xuất hiện trong tâm trí. Có phải cũng có những lợi thế ở đây?
Brunklaus: Vâng. Đối với một điều, vật liệu chất lỏng dễ bay hơi có thể được phân phối với. Điều này làm giảm nguy cơ cháy tự phát có thể xảy ra cũng như nguy cơ hỏa hoạn nói chung, vì các thành phần chất lỏng có thể thoát ra nhanh hơn khi xảy ra tai nạn, chẳng hạn như gây ra đoản mạch trong các tế bào không giống như các thành phần rắn.
Trong các thử nghiệm cơ học với tác động của đinh lên các tế bào pin, người ta thậm chí còn chỉ ra rằng các chất rắn polyme riêng lẻ nói riêng khá an toàn do đặc tính tự phục hồi, nhờ đó chúng có thể cách ly nguồn lửa thông qua các phản ứng hóa học , do đó dập tắt đám cháy trong khi cho phép tế bào pin tiếp tục hoạt động. Ngoài ra, các khía cạnh an toàn có thể được tính đến khi lựa chọn vật liệu điện cực không phù hợp với chất điện phân lỏng.
Pin thể rắn có thể được sử dụng cho những ứng dụng nào khác?
Brunklaus: Trước hết, tôi muốn nói rằng không có thứ gọi là hóa chất tế bào lý tưởng duy nhất cho mọi tình huống ứng dụng khả thi. Mỗi ứng dụng đưa ra những thách thức riêng, vì vậy các giải pháp khác nhau đều có lý do riêng. Ngoài ứng dụng hiện tại của chúng trong lĩnh vực y tế và trong đồng hồ thông minh, chất rắn còn phù hợp với pin xe trong bối cảnh điện động, để sử dụng trong lưu trữ năng lượng cố định, ví dụ như khả năng đệm trong sản xuất năng lượng tái tạo, cũng như cho điện thoại di động và dụng cụ điện.
Ngày nay, các tế bào pin dựa trên polyme đã được khai thác, ví dụ như trong các xe buýt điện khí hóa. Ắc quy xe phải sạc dễ dàng và nhanh chóng, trong khi bộ lưu trữ cố định có thể có tốc độ sạc chậm hơn. Các tính chất khác rất quan trọng ở đây, ví dụ, sản xuất chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Đối với điện thoại di động, cần có sự dung hòa giữa sạc nhanh và khả năng sạc cao trong một không gian nhỏ.
Trọng tâm nghiên cứu hiện tại trong bộ phận của bạn là gì?
Brunklaus: Chúng tôi đang phát triển các phương pháp để hiểu rõ hơn về quá trình truyền điện tích hoặc các quá trình hóa học khác làm giảm tuổi thọ hoặc hoạt động của pin. Chúng bao gồm quang phổ trở kháng điện hóa và phương pháp cộng hưởng từ. Tất cả những điều này cùng nhau giúp chúng tôi phát triển các thiết kế ô khác nhau, mỗi thiết kế mở ra các tùy chọn ứng dụng riêng. Tại cơ sở Münster của HI MS, chúng tôi cũng tập trung mạnh vào việc sản xuất và tối ưu hóa chất điện phân polyme và lớp phủ bảo vệ.
Chất điện phân polyme có thể làm gì trái ngược với các chất rắn khác?
Brunklaus: Chúng mang lại lợi thế là chúng có hình dạng linh hoạt và có thể được sử dụng, chẳng hạn như cái gọi là pin cấu trúc trong ngành hàng không. Có thể tưởng tượng được việc lắp đặt chúng vào thành của một chiếc máy bay điện tử. Do tính biến đổi hóa học của chúng, các polyme thực tế có vô số cấu trúc và nhóm chức năng khác nhau, do đó cung cấp nhiều tùy chọn để thích ứng với các đặc tính cần thiết của các ứng dụng có thể.
Mặt khác, chất điện phân gốm rắn có thể bị vỡ trong máy bay. Có thể nói, các đặc tính chảy được của polyme phục vụ để lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào trong hệ thống tế bào pin mà các điện cực xốp làm từ carbon hoặc vật liệu composite lưu huỳnh-carbon chẳng hạn có thể có. Do đó tránh được khối lượng không sử dụng và điện trở chuyển điện tích cao.
Những thách thức lớn nhất mà bạn gặp phải trong quá trình phát triển chất điện phân polymer là gì?
Brunklaus: Có hai địa điểm xây dựng chính. Đầu tiên, độ dẫn ion—quan trọng đối với hiệu suất cao và sạc nhanh—phải được tăng thêm. Tuy nhiên, độ dẫn vĩ mô của chất điện phân chính không phải là yếu tố quyết định duy nhất ở đây, mà cụ thể là động lực truyền điện tích tại các giao diện với điện cực, yếu tố này phải cho phép dòng điện cao trong quá trình sạc pin nhanh.
Thứ hai, vật liệu phải được tăng quy mô một cách hiệu quả về chi phí thành phạm vi kilôgam cho một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như lưu trữ cố định, mà không làm giảm chất lượng và các tùy chọn xử lý vật liệu trong quá trình sản xuất tế bào cũng phải được điều chỉnh. Trong một tương lai gần, các thành phần có thể chảy được như oligome chuỗi ngắn hơn có thể sẽ cần thiết ở khu vực cực âm để có được mật độ dòng điện cao. Để làm việc trên nhiều địa điểm xây dựng này, cần có sự hợp tác giữa các địa điểm khác nhau.
Hợp tác nào tồn tại?
Brunklaus: Trong khuôn khổ của cụm năng lực BMBF FestBatt, ví dụ, Viện Helmholtz Münster, Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT), Viện Helmholtz Ulm (HIU), cũng như Đại học Duisburg-Essen và các tổ chức nổi tiếng khác đang hợp tác để phát triển các giải pháp khoa học kỹ thuật về pin thể rắn .
Nhìn chung, mục đích là để mở ra thế giới polyme, có thể nói như vậy, cũng như các lĩnh vực của các loại vật liệu khác và nhận ra càng nhiều biến thể của hệ thống tế bào pin càng tốt về các tùy chọn ứng dụng. Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi đang tập hợp kiến thức chuyên môn về vật liệu của mình trong các lĩnh vực polyme, vật liệu lai, gốm sứ, thiết kế và phân tích tế bào. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cũng rất cần thiết và được hỗ trợ bởi sự hợp tác của chúng tôi.
Ví dụ, các phương pháp vĩ mô thực tế được bổ sung tốt bởi các mô phỏng máy tính trong phạm vi vi mô, cũng bao gồm các phương pháp 'học máy'.
