Lý lịch

Năm 1800, nhà vật lý người Ý A. Volta đã chế tạo ra cột volta, mở ra sự ra đời của pin thực tế và lần đầu tiên mô tả tầm quan trọng của chất điện phân trong các thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa. Chất điện phân có thể được xem như một lớp cách điện và dẫn ion ở dạng lỏng hoặc rắn, được chèn vào giữa các điện cực âm và dương. Hiện nay, chất điện phân tiên tiến nhất được tạo ra bằng cách hòa tan muối lithium rắn (ví dụ LiPF6) trong dung môi cacbonat hữu cơ không chứa nước (ví dụ EC và DMC). Theo hình thức và thiết kế tế bào chung, chất điện phân thường chiếm 8% đến 15% trọng lượng tế bào. Cái gì'Hơn nữa, tính dễ cháy và phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu là -10°C đến 60°C cản trở đáng kể việc cải thiện hơn nữa mật độ năng lượng và độ an toàn của pin. Do đó, các công thức điện phân cải tiến được coi là yếu tố then chốt cho sự phát triển thế hệ pin mới tiếp theo.

Các nhà nghiên cứu cũng đang nỗ lực phát triển các hệ thống điện giải khác nhau. Ví dụ: việc sử dụng dung môi fluoride có thể đạt được hiệu quả của chu trình kim loại lithium, chất điện phân rắn hữu cơ hoặc vô cơ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp xe cộ và “pin thể rắn” (SSB). Lý do chính là nếu chất điện phân rắn thay thế chất điện phân lỏng và màng ngăn ban đầu thì độ an toàn, mật độ năng lượng đơn và tuổi thọ của pin có thể được cải thiện đáng kể. Tiếp theo, chúng tôi chủ yếu tóm tắt tiến độ nghiên cứu chất điện phân rắn bằng các vật liệu khác nhau.

Chất điện phân rắn vô cơ

Chất điện phân rắn vô cơ đã được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa thương mại, chẳng hạn như một số pin sạc Na-S, pin Na-NiCl2 và pin Li-I2 sơ cấp. Trở lại năm 2019, Hitachi Zosen (Nhật Bản) đã trình diễn loại pin dạng túi hoàn toàn rắn có dung lượng 140 mAh để sử dụng trong không gian và thử nghiệm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Loại pin này bao gồm chất điện phân sunfua và các thành phần pin khác không được tiết lộ, có thể hoạt động trong khoảng -40°C và 100°C. Vào năm 2021, công ty sẽ giới thiệu pin rắn dung lượng cao hơn 1.000 mAh. Hitachi Zosen nhận thấy nhu cầu về pin rắn cho các môi trường khắc nghiệt như không gian và thiết bị công nghiệp hoạt động trong môi trường điển hình. Công ty có kế hoạch tăng gấp đôi dung lượng pin vào năm 2025. Nhưng cho đến nay, chưa có sản phẩm pin thể rắn nào có sẵn có thể sử dụng cho xe điện.

Chất điện phân hữu cơ bán rắn và rắn

Trong danh mục chất điện phân rắn hữu cơ, Bolloré của Pháp đã thương mại hóa thành công chất điện phân PVDF-HFP dạng gel và chất điện phân PEO dạng gel. Công ty cũng đã triển khai các chương trình thí điểm chia sẻ ô tô ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á để áp dụng công nghệ pin này cho xe điện, tuy nhiên loại pin polymer này chưa bao giờ được áp dụng rộng rãi trên ô tô du lịch. Một yếu tố góp phần vào việc chúng được áp dụng thương mại kém là chúng chỉ có thể được sử dụng ở nhiệt độ tương đối cao (50°C đến 80°C) và dải điện áp thấp. Những loại pin này hiện đang được sử dụng trong các phương tiện thương mại, chẳng hạn như một số xe buýt thành phố. Không có trường hợp nào làm việc với pin điện phân polymer rắn nguyên chất ở nhiệt độ phòng (tức là khoảng 25°C).

Loại bán rắn bao gồm các chất điện phân có độ nhớt cao, chẳng hạn như hỗn hợp muối-dung môi, dung dịch điện phân có nồng độ muối cao hơn tiêu chuẩn 1 mol/L, với nồng độ hoặc điểm bão hòa cao tới 4 mol/L. Mối quan tâm với hỗn hợp chất điện phân đậm đặc là hàm lượng muối flo tương đối cao, điều này cũng đặt ra câu hỏi về hàm lượng lithium và tác động môi trường của các chất điện phân đó. Điều này là do việc thương mại hóa một sản phẩm trưởng thành đòi hỏi phải phân tích toàn diện vòng đời. Và nguyên liệu thô cho chất điện phân bán rắn được chuẩn bị sẵn cũng cần phải đơn giản và sẵn có để dễ dàng tích hợp vào xe điện hơn.

Chất điện phân lai

Chất điện phân lai, còn được gọi là chất điện phân hỗn hợp, có thể được biến đổi dựa trên chất điện phân lai dung môi hữu cơ/nước hoặc bằng cách thêm dung dịch điện phân lỏng không chứa nước vào chất điện phân rắn, xem xét khả năng sản xuất và khả năng mở rộng của chất điện phân rắn cũng như các yêu cầu đối với công nghệ xếp chồng. Tuy nhiên, các chất điện phân lai như vậy vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chưa có mẫu thương mại nào.

Những cân nhắc cho việc phát triển thương mại điện phân

Ưu điểm lớn nhất của chất điện phân rắn là độ an toàn cao và tuổi thọ dài, nhưng cần cân nhắc cẩn thận những điểm sau khi đánh giá chất điện phân rắn hoặc lỏng thay thế:

• Quy trình sản xuất và thiết kế hệ thống điện phân rắn. Pin máy đo trong phòng thí nghiệm thường bao gồm các hạt điện phân rắn có độ dày vài trăm micron, được phủ một mặt của điện cực. Những tế bào rắn nhỏ này không đại diện cho hiệu suất cần thiết cho các tế bào lớn (10 đến 100Ah), vì công suất 10 ~ 100Ah là thông số kỹ thuật tối thiểu cần thiết cho pin điện hiện tại.
• Chất điện phân rắn còn thay thế vai trò của màng ngăn. Vì trọng lượng và độ dày của nó lớn hơn màng PP/PE nên nó phải được điều chỉnh để đạt được mật độ trọng lượng≥350Wh/kgvà mật độ năng lượng≥900Wh/L để tránh cản trở việc thương mại hóa nó.

Pin luôn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn ở một mức độ nào đó. Chất điện phân rắn tuy an toàn hơn chất lỏng nhưng không nhất thiết là không cháy. Một số polyme và chất điện phân vô cơ có thể phản ứng với oxy hoặc nước, tạo ra nhiệt và khí độc cũng gây nguy hiểm cháy nổ. Ngoài các tế bào đơn lẻ, nhựa, vỏ và vật liệu đóng gói có thể gây cháy không thể kiểm soát. Vì vậy, cuối cùng, cần phải có một cuộc kiểm tra an toàn toàn diện ở cấp độ hệ thống.