Một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã trình bày các nguyên tắc thiết kế phổ quát đầu tiên cho pin thể rắn, báo hiệu sự thay đổi lớn trong nghiên cứu thiết kế pin vốn trước đây thiếu các chuẩn mực.
Màn hình hoạt động của "SolidXCell" do nhóm nghiên cứu phát triển. Nguồn: Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc
Tiến sĩ Jinsoo Kim từ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Năng lượng Tiên tiến Ulsan thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc (KIER) và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Sung-Kyun Jung từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) đã cùng nhau phát triển các nguyên tắc thiết kế và bộ công cụ thiết kế đa năng để triển khai pin thể rắn mật độ năng lượng cao và đã hoàn tất quá trình xác minh hiệu suất.
Bài báo được công bố trên tạp chí Nature Communications .
Với nhu cầu điện khí hóa toàn cầu ngày càng tăng, kỷ nguyên mọi thứ đều được cung cấp năng lượng bằng pin đang đến gần. Để ứng phó, chính phủ Hàn Quốc đã công bố "Chiến lược quốc gia về tăng cường năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp pin" để hỗ trợ phát triển tập trung công nghệ pin thể rắn quốc gia.
Pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn không cháy thay vì chất điện phân lỏng dễ cháy có trong pin lithium-ion, giúp chúng an toàn hơn và ít có khả năng gây cháy hơn. Ngoài ra, chúng còn có lợi thế là tăng đáng kể mật độ năng lượng thông qua thiết kế cấu trúc hệ thống và cell hiệu quả.
Cho đến gần đây, nghiên cứu cơ bản về pin thể rắn đã được tiến hành, mang lại nhiều kết quả ở cấp độ phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, việc thiếu các hướng dẫn khoa học để thiết kế điện cực và pin thực tế đã dẫn đến sự phát triển không hiệu quả, vì nó chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu để kết hợp vật liệu và kiểm soát các thông số thiết kế.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã xác định các thông số thiết kế định lượng của pin là ngưỡng cân bằng, ngưỡng thấm và ngưỡng tải. Điều này dẫn đến việc trình bày các nguyên tắc phổ quát đầu tiên để thiết kế pin thể rắn. Pin túi được sản xuất dựa trên các nguyên tắc này đã chứng minh được mật độ năng lượng là 310Wh/kg, vượt trội hơn pin lithium thương mại và đã đạt được chứng nhận của bên thứ ba.
Pin thể rắn được cấu thành từ cathode, anode và chất điện phân rắn tổng hợp. Mật độ năng lượng tăng theo mật độ của vật liệu hoạt động trong catode. Dựa trên cấu trúc "đóng gói khối lập phương", trong đó các hạt hình cầu được sắp xếp ở mật độ tối đa, nhóm nghiên cứu đã xác định tỷ lệ chuẩn của chất điện phân rắn lấp đầy khoảng trống giữa các hạt là "ngưỡng cân bằng".
Ở ngưỡng cân bằng này, tỷ lệ thể tích của vật liệu hoạt động là 74% và chất điện phân rắn là 26%. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ dựa trên giá trị này, có thể xác định được các chiến lược thiết kế giữa mật độ năng lượng và mật độ công suất.
Điều kiện tối thiểu để dẫn ion lithium trong catốt composite cũng đã được thiết lập. Nhóm nghiên cứu đã định nghĩa mật độ tối thiểu mà các hạt composite của vật liệu hoạt động và chất điện phân rắn tiếp xúc với nhau là "ngưỡng thấm".
Trong điều kiện này, khoảng cách giữa các hạt composite phải là 26% hoặc ít hơn. Nếu khoảng cách vượt quá tỷ lệ phần trăm này, các hạt sẽ không tiếp xúc, ngăn cản dòng ion và khiến pin không hoạt động.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã đưa ra phương pháp thiết kế độ dày của điện cực bằng cách tính toán các điều kiện cụ thể mà điện áp rơi xảy ra bên trong catốt. Độ dày của điện cực được xác định bằng điện áp rơi do điện trở và mật độ dòng điện.
Nhóm nghiên cứu định nghĩa mô hình lý tưởng là sự kết hợp các điều kiện trong đó điện áp giảm trong vòng 100mV (milivôn), gọi đây là "ngưỡng tải". Điều kiện này có thể được sử dụng làm hướng dẫn để tối ưu hóa độ dày của tấm điện cực khi kết hợp nhiều vật liệu khác nhau và thiết kế điện cực.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công các nguyên tắc thiết kế đã đưa ra để chế tạo một cell dạng túi có dung lượng 0,5Ah và mật độ năng lượng cao là 310Wh/kg. Cell sản xuất đã nhận được chứng nhận thử nghiệm chính thức từ Phòng thí nghiệm phù hợp Hàn Quốc (KCL), chứng minh tính nhất quán của các nguyên tắc thiết kế của họ.
Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển bộ công cụ thiết kế pin thể rắn "SolidXCell", áp dụng các nguyên tắc thiết kế mở cho công chúng. "SolidXCell" là một nền tảng thiết kế đa thang đo và đa thông số cho phép thiết kế trực quan và có hệ thống các loại pin thể rắn phức tạp. Nó được cung cấp miễn phí cho các nhà nghiên cứu để sử dụng trong thiết kế pin thể rắn.
Tiến sĩ Jinsoo Kim từ KIER và Giáo sư Sung-Kyun Jung từ UNIST, những người đứng đầu nghiên cứu chung, tuyên bố, "Việc trình bày các nguyên tắc thiết kế phổ quát đầu tiên cho pin thể rắn với việc phát triển và chia sẻ bộ công cụ thiết kế sẽ mang lại lợi ích to lớn cho lĩnh vực thiết kế pin thể rắn. Chúng tôi hy vọng rằng nhiều nhà nghiên cứu có thể sử dụng các nguyên tắc này để thiết kế pin thể rắn hiệu quả, thúc đẩy cải thiện hiệu suất đáng kể và vượt qua các rào cản công nghệ hiện tại."
Nhóm nghiên cứu chung hiện đang thành lập "Xưởng đúc kỹ thuật pin tiên tiến (ABEF)" đầu tiên tại Hàn Quốc, với sự hỗ trợ của Viện phát triển công nghệ Hàn Quốc và Thành phố Ulsan. Trung tâm này sẽ cung cấp cơ sở hạ tầng để sản xuất, đánh giá và phân tích các nguyên mẫu pin thể rắn, pin kim loại lithium và pin lithium-lưu huỳnh cho các công ty liên quan trong tương lai.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
