Thế giới cần nhiều năng lượng hơn, tốt nhất là ở dạng sạch và có thể tái tạo.Các chiến lược lưu trữ năng lượng của chúng ta hiện đang được định hình bởi pin lithium-ion – công nghệ tiên tiến nhất – nhưng chúng ta có thể mong đợi điều gì trong những năm tới?
Hãy bắt đầu với một số vấn đề cơ bản về pin.Pin là một gói gồm một hoặc nhiều tế bào, mỗi tế bào có một điện cực dương (cực âm), một điện cực âm (cực dương), bộ phân tách và chất điện phân.Việc sử dụng các loại hóa chất và vật liệu khác nhau sẽ ảnh hưởng đến đặc tính của pin – lượng năng lượng mà pin có thể lưu trữ và tạo ra, lượng điện năng có thể cung cấp hoặc số lần pin có thể được xả và sạc lại (còn gọi là dung lượng đạp xe).
Các công ty sản xuất pin không ngừng thử nghiệm để tìm ra các chất hóa học rẻ hơn, đặc hơn, nhẹ hơn và mạnh hơn.Chúng tôi đã nói chuyện với Patrick Bernard – Giám đốc Nghiên cứu Saft, người đã giải thích ba công nghệ pin mới có tiềm năng biến đổi.
PIN LITHIUM-ION THẾ HỆ MỚI
Nó là gì?
Trong pin lithium-ion (li-ion), việc lưu trữ và giải phóng năng lượng được cung cấp bởi sự chuyển động của các ion lithium từ điện cực dương sang điện cực âm qua lại thông qua chất điện phân.Trong công nghệ này, điện cực dương đóng vai trò là nguồn lithium ban đầu và điện cực âm đóng vai trò là vật chủ cho lithium.Một số hóa chất được tập hợp dưới tên pin li-ion, là kết quả của hàng thập kỷ lựa chọn và tối ưu hóa gần như hoàn hảo các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực.Oxit kim loại hoặc phốt phát được tráng men là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm vật liệu dương tính hiện nay.Than chì, nhưng than chì/silicon hoặc oxit titan tráng men cũng được sử dụng làm vật liệu âm.
Với các vật liệu và thiết kế tế bào thực tế, công nghệ li-ion dự kiến sẽ đạt đến giới hạn năng lượng trong những năm tới.Tuy nhiên, những khám phá gần đây về các dòng vật liệu hoạt tính đột phá mới sẽ mở ra những giới hạn hiện tại.Những hợp chất cải tiến này có thể lưu trữ nhiều lithium hơn trong các điện cực dương và âm và lần đầu tiên sẽ cho phép kết hợp năng lượng và năng lượng.Ngoài ra, với các hợp chất mới này, tính khan hiếm và tầm quan trọng của nguyên liệu thô cũng được tính đến.
Ưu điểm của nó là gì?
Ngày nay, trong số tất cả các công nghệ lưu trữ tiên tiến nhất, công nghệ pin li-ion cho phép đạt được mật độ năng lượng cao nhất.Các hiệu suất như sạc nhanh hoặc cửa sổ vận hành nhiệt độ (-50°C đến 125°C) có thể được tinh chỉnh bằng nhiều lựa chọn về thiết kế tế bào và thành phần hóa học.Hơn nữa, pin li-ion còn có những ưu điểm bổ sung như khả năng tự phóng điện rất thấp và tuổi thọ rất dài cũng như hiệu suất hoạt động theo chu kỳ, điển hình là hàng nghìn chu kỳ sạc/xả.
Khi nào chúng ta có thể mong đợi nó?
Thế hệ pin li-ion tiên tiến mới dự kiến sẽ được triển khai trước thế hệ pin thể rắn đầu tiên.Chúng sẽ lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng như Hệ thống lưu trữ năng lượng chonăng lượng tái tạovà vận chuyển (hàng hải, đường sắt,hàng khôngvà khả năng di chuyển trên đường địa hình) nơi bắt buộc phải có năng lượng cao, công suất cao và an toàn.
PIN LITHIUM-SULFUR
Nó là gì?
Trong pin li-ion, các ion lithium được lưu trữ trong các vật liệu hoạt động đóng vai trò là cấu trúc vật chủ ổn định trong quá trình sạc và xả.Trong pin lithium-lưu huỳnh (Li-S), không có cấu trúc vật chủ.Trong khi phóng điện, cực dương lithium bị tiêu hao và lưu huỳnh biến thành nhiều loại hợp chất hóa học;trong quá trình sạc, quá trình ngược lại diễn ra.
Ưu điểm của nó là gì?
Pin Li-S sử dụng vật liệu hoạt tính rất nhẹ: lưu huỳnh ở điện cực dương và lithium kim loại làm điện cực âm.Đây là lý do tại sao mật độ năng lượng lý thuyết của nó cực kỳ cao: lớn hơn bốn lần so với lithium-ion.Điều đó làm cho nó phù hợp với ngành hàng không và vũ trụ.
Saft đã lựa chọn và ưa chuộng công nghệ Li-S dựa trên chất điện phân trạng thái rắn hứa hẹn nhất.Con đường kỹ thuật này mang lại mật độ năng lượng rất cao, tuổi thọ cao và khắc phục được những nhược điểm chính của Li-S gốc lỏng (tuổi thọ hạn chế, khả năng tự phóng điện cao,…).
Hơn nữa, công nghệ này còn bổ sung cho lithium-ion trạng thái rắn nhờ mật độ năng lượng trọng lượng vượt trội (+30% tính theo Wh/kg).
Khi nào chúng ta có thể mong đợi nó?
Các rào cản công nghệ chính đã được vượt qua và mức độ trưởng thành đang tiến triển rất nhanh tới các nguyên mẫu quy mô đầy đủ.
Đối với các ứng dụng yêu cầu thời lượng pin dài, công nghệ này dự kiến sẽ được tung ra thị trường chỉ sau lithium-ion thể rắn.
PIN TRẠNG THÁI RẮN
Nó là gì?
Pin thể rắn đại diện cho một sự thay đổi mô hình về mặt công nghệ.Trong pin li-ion hiện đại, các ion di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác qua chất điện phân lỏng (còn gọi là độ dẫn ion).Trong pin hoàn toàn rắn, chất điện phân lỏng được thay thế bằng hợp chất rắn, tuy nhiên vẫn cho phép các ion lithium di chuyển bên trong nó.Khái niệm này không hề mới, nhưng trong 10 năm qua – nhờ nghiên cứu chuyên sâu trên toàn thế giới – các dòng chất điện phân rắn mới đã được phát hiện với độ dẫn ion rất cao, tương tự như chất điện phân lỏng, cho phép vượt qua rào cản công nghệ đặc biệt này.
Hôm nay,SaftNỗ lực Nghiên cứu & Phát triển tập trung vào 2 loại vật liệu chính: polyme và hợp chất vô cơ, hướng đến sự tổng hợp các tính chất lý hóa như khả năng xử lý, độ ổn định, độ dẫn điện…
Ưu điểm của nó là gì?
Ưu điểm lớn đầu tiên là sự cải thiện rõ rệt về độ an toàn ở cấp độ tế bào và pin: chất điện phân rắn không bắt lửa khi đun nóng, không giống như chất lỏng tương tự.Thứ hai, nó cho phép sử dụng các vật liệu có công suất cao, điện áp cao, cải tiến, cho phép pin dày hơn, nhẹ hơn với thời hạn sử dụng tốt hơn do khả năng tự phóng điện giảm.Hơn nữa, ở cấp độ hệ thống, nó sẽ mang lại những lợi thế bổ sung như cơ học đơn giản cũng như quản lý nhiệt và an toàn.
Vì pin có thể có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao nên chúng có thể lý tưởng để sử dụng trong xe điện.
Khi nào chúng ta có thể mong đợi nó?
Một số loại pin thể rắn có khả năng sẽ xuất hiện trên thị trường khi tiến bộ công nghệ tiếp tục.Đầu tiên sẽ là pin thể rắn với cực dương làm từ than chì, mang lại hiệu suất năng lượng được cải thiện và độ an toàn.Theo thời gian, các công nghệ pin thể rắn nhẹ hơn sử dụng cực dương lithium kim loại sẽ được thương mại hóa.
Thời gian đăng: 03-08-2022