Nhóm nghiên cứu hỗ trợ ép đẳng tĩnh để sản xuất pin thể rắn
bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge
Quá trình ép đẳng tĩnh áp dụng nhiệt và áp suất nhất quán từ mọi hướng trên một bộ phận pin trong buồng. Ảnh: Andy Sproles/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Sau nhiều tháng thu được kết quả thử nghiệm đầy hứa hẹn, các nhà nghiên cứu về pin tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đang khuyến nghị rằng ngành công nghiệp pin thể rắn nên tập trung vào một kỹ thuật được gọi là ép đẳng tĩnh để thương mại hóa pin thế hệ tiếp theo.
Việc sản xuất pin thể rắn ở quy mô thương mại là mục tiêu của các nhà sản xuất xe điện vì những loại pin này có khả năng sạc nhanh hơn, lâu hơn và hoạt động an toàn hơn so với pin lithium-ion hiện có trên thị trường.
Trong một bài đánh giá tiêu điểm cho ACS Energy Letters, các nhà nghiên cứu của ORNL khuyên bạn nên chú ý đến phương pháp nhấn đẳng tĩnh ít được nghiên cứu. Quá trình này sử dụng các chất lỏng và khí như nước, dầu hoặc argon bên trong máy để tạo áp suất nhất quán lên bộ phận pin, tạo ra vật liệu đồng nhất cao. Với sự giúp đỡ của một đối tác trong ngành sản xuất thiết bị ép này, các nhà nghiên cứu của ORNL nhận thấy rằng quá trình ép đẳng tĩnh có thể giúp quá trình sản xuất pin dễ dàng và nhanh hơn đồng thời tạo điều kiện tốt hơn cho dòng năng lượng.
Khi pin sạc hoặc xả, các ion di chuyển qua chất điện phân giữa các cực dương và cực âm của nó, được làm bằng các lớp kim loại mỏng. Trong pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ điện thoại di động đến xe điện, chất điện phân là chất lỏng giúp các ion di chuyển dễ dàng. Thật không may, chất lỏng này cũng có thể tràn hoặc bốc cháy nếu sự ngăn cách giữa các lớp pin bị tổn hại.
Marm Dixit của ORNL và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng quá trình ép đẳng tĩnh có thể tạo ra các lớp mỏng chất điện phân rắn, đồng nhất, duy trì mức độ tiếp xúc cao giữa các lớp để chuyển động ion trơn tru. Phương pháp này hoạt động với nhiều loại thành phần pin ở nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Trong số các kết quả đầy hứa hẹn, quá trình ép đẳng tĩnh cực kỳ thành công ở nhiệt độ thấp và với các vật liệu điện phân mềm, dễ gia công hơn và có cấu trúc tinh thể thuận lợi cho chuyển động của ion. Việc ép pin đẳng tĩnh trước đây hầu hết được thực hiện ở các điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ rất cao hoặc ở nhiệt độ phòng, nhưng không phải ở giữa.
"Tất cả những vật liệu này đều có những ưu điểm riêng mà các nhà nghiên cứu muốn khai thác," Dixit nói. "Đó là lý do tại sao điều quan trọng là bạn có thể thực hiện ép đẳng tĩnh ở mọi nơi từ nhiệt độ phòng đến vài nghìn độ F: Điều đó có nghĩa là bạn có thể sử dụng bất kỳ thứ gì từ polyme đến oxit, toàn bộ các loại vật liệu."
Dixit cho biết tính linh hoạt này là chìa khóa cho một quy trình sản xuất nhất quán cho nhiều loại vật liệu và thiết kế pin thể rắn đang được phát triển. Việc ép đẳng tĩnh cũng sẽ tương đối dễ dàng để mở rộng quy mô thương mại—một phát hiện đã thu hút được sự chú ý đáng kể khi các công ty chạy đua cung cấp pin thể rắn cho các nhà sản xuất ô tô. Một số công ty ô tô hàng đầu đã công bố ý định bán xe điện chạy bằng pin thể rắn trong vòng vài năm tới.
Ilias Belharouak, thành viên công ty tại ORNL và là người đứng đầu bộ phận điện khí hóa của nó, cho biết công nghệ pin thể rắn cần phải được hoàn thiện để sản xuất quy mô lớn. Ông nói: “Đừng nhầm lẫn, tất cả các loại pin thể rắn đều đang trên hành trình dài. "Nhưng công nghệ ép đẳng tĩnh, nếu có thể mở rộng, sẽ cung cấp một cách để lắp ráp các lớp pin mà không cần áp lực bên ngoài phi thực tế."
Ép đẳng tĩnh đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong các vật liệu liên kết và nối nhiệt hạch. Gần đây, nó là một công cụ để loại bỏ các khoảng trống và dị thường trong các bộ phận được in 3D. Tuy nhiên, thử nghiệm của nó cho các ứng dụng pin đã bị hạn chế.
Các nhà nghiên cứu của ORNL chỉ ra rằng quá trình ép đẳng tĩnh cũng có thể cho phép sản xuất ba lớp pin như một hệ thống dày đặc duy nhất thay vì tạo ra chúng một cách riêng biệt trước khi ghép chúng lại với nhau.
Trong bài báo ACS Energy Letters, nhóm của Dixit đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo đuổi một loại pin thể rắn có thể mở rộng quy mô để sản xuất. Họ viết: “Giải quyết hiệu quả thách thức này sẽ đưa công nghệ pin ngày nay đi tắt đón đầu trong những thập kỷ tới bằng cách cho phép pin thể rắn đậm đặc năng lượng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thiết bị điện tử di động, lưu trữ lưới điện, xe điện và thậm chí cả các ứng dụng (hàng không).
Các nhà nghiên cứu của ORNL đang tiếp tục tiến hành các thử nghiệm để tìm hiểu xem sự kết hợp nhiệt độ và áp suất ép nào hoạt động tốt nhất với các vật liệu khác nhau và những yếu tố đó ảnh hưởng đến kết cấu như thế nào. Dixit nói: “Việc nhấn đẳng tĩnh có thể làm thay đổi kết cấu, câu hỏi đặt ra là liệu nó có thể chủ động kiểm soát nó hay không. "Khả năng điều khiển kết cấu tinh thể sẽ mang lại những lợi ích đáng kể cho pin thể rắn."
