Pin lithium-ion dùng để cung cấp năng lượng cho xe điện là chìa khóa cho nền kinh tế năng lượng sạch. Nhưng các điện cực của chúng thường được chế tạo bằng cách sử dụng bùn ướt với dung môi độc hại, một phương pháp sản xuất đắt tiền gây ra rủi ro cho sức khỏe và môi trường.
Các nhà nghiên cứu của ORNL phát hiện ra rằng màng cực dương của pin do Navitas Systems chế tạo bằng quy trình khô rất chắc chắn và linh hoạt. Những đặc điểm này làm cho pin lithium-ion an toàn hơn và bền hơn. Tín dụng: Hệ thống Navistas
Các thí nghiệm ban đầu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã cho thấy những lợi ích đáng kể đối với quy trình sản xuất pin khô. Điều này giúp loại bỏ dung môi đồng thời hứa hẹn cung cấp pin bền, ít bị ảnh hưởng bởi các phần tử không hoạt động và có thể duy trì khả năng lưu trữ năng lượng cao sau khi sử dụng. Những cải tiến như vậy có thể thúc đẩy việc áp dụng xe điện rộng rãi hơn, giúp giảm lượng khí thải carbon và đạt được các mục tiêu về khí hậu của Hoa Kỳ.
Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học .
Xử lý khô là một giải pháp thay thế tương đối mới giúp tiết kiệm không gian sàn nhà máy cũng như thời gian, năng lượng, xử lý chất thải và chi phí ban đầu. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa hiểu rõ về cách thức và lý do nó hoạt động.
ORNL và đối tác công nghiệp Navitas Systems đã nghiên cứu xem quy trình làm khô ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của vật liệu pin và tính chất điện hóa của chúng. Pin tạo ra năng lượng khi các ion lithium di chuyển giữa các điện cực gọi là cực âm và cực dương. Nhóm nghiên cứu tập trung vào chiến lược xử lý khô điện cực, bao gồm việc trộn bột khô với chất kết dính, sau đó nén vật liệu để cải thiện sự tiếp xúc giữa các hạt. Chiến lược này có thể được áp dụng cho cả cực dương và cực âm bằng cách tập trung vào một số vật liệu hoặc phương pháp trộn.
Sau khi Navitas chế tạo các điện cực, các nhà nghiên cứu ORNL, do Jianlin Li và Runming Tao dẫn đầu, đã đo hiệu suất điện hóa của chúng trong các điều kiện khác nhau trong các khung thời gian khác nhau. Nhóm ORNL đã có thể đạt được hiểu biết mới về cách các điện cực được xử lý khô xuống cấp.
Theo kết quả nghiên cứu, pin được sản xuất bằng quy trình khô cho thấy khả năng duy trì công suất "tuyệt vời" sau thời gian dài sử dụng. Các nhà nghiên cứu nhận thấy pin quy trình khô “rất được ưa chuộng về mặt hóa học” vì cấu trúc của chúng cho phép các ion lithium đi theo đường trực tiếp hơn giữa cực dương và cực âm. Các điện cực dày hơn để cho phép nạp năng lượng cao hơn đồng thời giảm các thành phần không hoạt động làm tăng kích thước và trọng lượng.
“Có nhiều vật liệu hoạt động hơn trong điện cực”, Tao nói. "Và ngay cả sau khi đạp xe, nó cũng sẽ có vài vết nứt." Hai ưu điểm này phản ánh mật độ năng lượng cao và khả năng tái chế lâu dài tốt. Điện cực có thể uốn cong và uốn cong tốt, thể hiện độ bền cơ học tuyệt vời và khả năng cuộn dây cần thiết cho việc sản xuất pin hàng loạt.
Quy trình khô có thể mang lại nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất và chuỗi cung ứng của Hoa Kỳ: Nó có khả năng tương thích cao với thiết bị sản xuất điện cực hiện đại, đồng thời giảm tác động đến môi trường khiến các nhà máy pin phù hợp ở nhiều nơi hơn.
Bryan Steinhoff, trưởng nhóm kỹ thuật và nhà nghiên cứu chính của dự án Navitas cho biết: “Khi bạn nhìn vào các nhà máy quy mô giga, bạn đang nhìn vào hàng tỷ đô la để mở rộng quy mô pin”. "Xử lý khô có thể loại bỏ lớp phủ và thiết bị dung môi hiện cần thiết cho sản xuất pin quy mô lớn. Nếu bạn có thể sử dụng quy trình khô thay thế, bạn có thể giảm dấu chân của mình tới 40 hoặc 50%, tiết kiệm hàng trăm triệu đô la và bắt đầu cho phép tạo ra cơ sở hạ tầng để thay thế cơ sở hạ tầng hiện đang phụ thuộc phần lớn vào châu Á."
Bước tiếp theo trong nghiên cứu là ổn định vật liệu gắn các thành phần cực dương vào bộ thu dòng kim loại mỏng. Li cho biết: “Mục tiêu chính của dự án này là phát triển hoặc xác định chất kết dính tốt hơn cho quá trình khô, vì chất kết dính hiện tại không ổn định lắm đối với môi trường cực dương”. Nhóm nghiên cứu cũng đang nghiên cứu giảm lượng cacbon đen, một vật liệu duy trì độ dẫn điện của pin nhưng làm giảm mật độ năng lượng của pin.
Các nhà nghiên cứu của ORNL và Navitas tiếp tục cải tiến quy trình để cải thiện hiệu suất điện hóa. Mục đích là để cân bằng lợi ích và hạn chế của điện cực dày hơn: Nó có khả năng nạp năng lượng cao hơn và dễ cuộn, nhưng nó có thể cung cấp ít năng lượng hơn vì các ion phải di chuyển xa hơn.
