Thiết kế pin tốt hơn cho xe điện

Nhu cầu cấp bách về việc cắt giảm lượng khí thải carbon đang thúc đẩy một bước tiến nhanh chóng tới việc di chuyển bằng điện và mở rộng việc triển khai năng lượng mặt trời và gió trên lưới điện. Nếu những xu hướng đó leo thang như dự kiến, nhu cầu về các phương pháp lưu trữ năng lượng điện tốt hơn sẽ tăng lên.

Rõ ràng, việc phát triển các công nghệ lưu trữ dựa trên lưới điện ở quy mô lớn là rất quan trọng. Nhưng đối với các ứng dụng di động — cụ thể là giao thông vận tải — nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc điều chỉnh pin lithium-ion ngày nay để tạo ra các phiên bản an toàn hơn, nhỏ hơn và có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn cho kích thước và trọng lượng của chúng.

Pin lithium-ion truyền thống tiếp tục được cải thiện, nhưng chúng có những hạn chế vẫn tồn tại, một phần là do cấu trúc của chúng. Pin lithium-ion bao gồm hai điện cực — một dương và một âm — được kẹp xung quanh một chất lỏng hữu cơ (chứa carbon). Khi pin được sạc và xả, các hạt mang điện (hoặc ion) của lithium sẽ truyền từ điện cực này sang điện cực kia qua chất điện phân lỏng.

Một vấn đề với thiết kế đó là ở điện áp và nhiệt độ nhất định, chất điện phân lỏng có thể trở nên dễ bay hơi và bắt lửa. Pin thường an toàn trong điều kiện sử dụng bình thường, nhưng rủi ro vẫn có.

Một vấn đề khác là pin lithium-ion không phù hợp để sử dụng cho xe cộ. Bộ pin lớn, nặng sẽ chiếm không gian và làm tăng trọng lượng tổng thể của xe, giảm hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Nhưng thật khó để làm cho pin lithium-ion ngày nay nhỏ hơn và nhẹ hơn trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng của chúng - tức là lượng năng lượng chúng tích trữ trên một gam trọng lượng.

Để giải quyết những vấn đề đó, các nhà nghiên cứu đang thay đổi các tính năng chính của pin lithium-ion để tạo ra một phiên bản hoàn toàn rắn hay còn gọi là “trạng thái rắn”. Họ thay thế chất điện phân lỏng ở giữa bằng chất điện phân rắn, mỏng, ổn định ở một loạt các điện áp và nhiệt độ. Với chất điện phân rắn đó, họ sử dụng điện cực dương công suất cao và điện cực âm kim loại liti công suất lớn, mỏng hơn nhiều so với lớp carbon xốp thông thường. Những thay đổi đó làm cho nó có thể thu nhỏ đáng kể tổng thể pin trong khi vẫn duy trì khả năng lưu trữ năng lượng của nó, do đó đạt được mật độ năng lượng cao hơn.

Những tính năng đó — an toàn được nâng cao và mật độ năng lượng lớn hơn — có lẽ là hai ưu điểm thường được quảng cáo nhất của một loại pin thể rắn tiềm năng.

Dựa trên kinh nghiệm của ngành với pin lithium-ion hiện tại, các nhà nghiên cứu của MIT và các đồng nghiệp của họ đề xuất ba câu hỏi rộng có thể giúp xác định những hạn chế tiềm ẩn đối với việc mở rộng quy mô trong tương lai do kết quả của việc lựa chọn vật liệu. Đầu tiên, với thiết kế pin này, liệu sự sẵn có của nguyên vật liệu, chuỗi cung ứng hoặc sự biến động giá có thể trở thành một vấn đề khi quy mô sản xuất tăng lên không? (Lưu ý rằng các mối quan tâm về môi trường và các mối quan tâm khác do khai thác mở rộng nằm ngoài phạm vi của nghiên cứu này.) Thứ hai, liệu chế tạo pin từ những vật liệu này có liên quan đến các bước sản xuất khó khăn trong đó các bộ phận có khả năng bị hỏng không? Và thứ ba, các biện pháp sản xuất cần thiết để đảm bảo một sản phẩm hiệu suất cao dựa trên những vật liệu này cuối cùng có hạ thấp hoặc nâng cao giá thành của pin được sản xuất không?

Để chứng minh cách tiếp cận của họ, Olivetti, Ceder và Huang đã kiểm tra một số hóa chất điện phân và cấu trúc pin hiện đang được các nhà nghiên cứu điều tra. Để chọn các ví dụ của mình, họ chuyển sang công việc trước đây trong đó họ và các cộng tác viên của họ sử dụng các kỹ thuật khai thác dữ liệu và văn bản để thu thập thông tin về tài liệu và xử lý các chi tiết được báo cáo trong tài liệu. Từ cơ sở dữ liệu đó, họ đã chọn một vài tùy chọn được báo cáo thường xuyên đại diện cho một loạt các khả năng.

Vật liệu và tính sẵn có

Trong thế giới của chất điện phân vô cơ rắn, có hai loại vật liệu chính - ôxít chứa ôxy và ôxít chứa lưu huỳnh.

Sunfua mà nhóm nghiên cứu đã xem xét là LGPS, kết hợp giữa liti, gecmani, phốt pho và lưu huỳnh. Dựa trên những cân nhắc về tính sẵn có, họ tập trung vào germanium, một nguyên tố gây lo ngại một phần vì nó thường không được khai thác riêng. Thay vào đó, nó là một sản phẩm phụ được tạo ra trong quá trình khai thác than và kẽm.

Để điều tra tính khả dụng của nó, các nhà nghiên cứu đã xem xét lượng germanium được sản xuất hàng năm trong sáu thập kỷ qua trong quá trình khai thác than và kẽm và sau đó có thể sản xuất bao nhiêu. Kết quả cho thấy rằng có thể tạo ra nhiều germanium hơn 100 lần, ngay cả trong những năm gần đây. Với tiềm năng cung cấp đó, sự sẵn có của gecmani không có khả năng hạn chế việc mở rộng quy mô của pin thể rắn dựa trên chất điện phân LGPS.

Tình hình có vẻ ít hứa hẹn hơn với oxit được chọn của các nhà nghiên cứu, LLZO, bao gồm lithium, lantan, zirconium và oxy. Việc khai thác và chế biến Lantan phần lớn tập trung ở Trung Quốc, và dữ liệu có sẵn rất hạn chế, vì vậy các nhà nghiên cứu đã không cố gắng phân tích tính khả dụng của nó. Ba yếu tố còn lại có sẵn rất nhiều. Tuy nhiên, trên thực tế, một lượng nhỏ nguyên tố khác - được gọi là chất pha tạp - phải được thêm vào để làm cho LLZO dễ dàng xử lý. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào tantali, chất dopant được sử dụng thường xuyên nhất, là yếu tố chính mà LLZO quan tâm.

Tantali được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình khai thác thiếc và niobi. Dữ liệu lịch sử cho thấy lượng tantali được tạo ra trong quá trình khai thác thiếc và niobi gần với mức tối đa tiềm năng hơn nhiều so với trường hợp của gecmani. Vì vậy, sự sẵn có của tantali là mối quan tâm nhiều hơn đối với khả năng mở rộng quy mô của pin dựa trên LLZO.

Nhưng việc biết được sự sẵn có của một phần tử trong đất không giải quyết được các bước cần thiết để đưa nó đến tay nhà sản xuất. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã điều tra một câu hỏi tiếp theo liên quan đến chuỗi cung ứng cho các yếu tố quan trọng — khai thác, chế biến, tinh chế, vận chuyển, v.v. Giả sử rằng nguồn cung dồi dào có sẵn, liệu chuỗi cung ứng cung cấp những nguyên liệu đó có thể mở rộng đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về pin không?

Trong các phân tích mẫu, họ đã xem xét chuỗi cung ứng germani và tantali sẽ cần phát triển bao nhiêu hàng năm để cung cấp pin cho một đội xe điện dự kiến ​​vào năm 2030. Ví dụ, một đội xe điện thường được coi là mục tiêu cho năm 2030 sẽ yêu cầu sản xuất đủ pin để cung cấp tổng cộng 100 gigawatt giờ năng lượng. Để đạt được mục tiêu đó chỉ bằng cách sử dụng pin LGPS, chuỗi cung ứng cho germanium sẽ cần phải tăng trưởng 50% từ năm này sang năm khác - một khoảng thời gian dài, vì tốc độ tăng trưởng tối đa trong quá khứ là khoảng 7%. Chỉ sử dụng pin LLZO, chuỗi cung ứng cho tantali sẽ cần tăng trưởng khoảng 30% - tốc độ tăng trưởng cao hơn mức cao lịch sử khoảng 10%.

Những ví dụ đó cho thấy tầm quan trọng của việc xem xét cả tính sẵn có của nguyên liệu và chuỗi cung ứng khi đánh giá các chất điện phân rắn khác nhau về tiềm năng mở rộng quy mô của chúng. Ngay cả khi số lượng nguyên liệu có sẵn không phải là vấn đề đáng lo ngại, như trường hợp của gecmani, việc mở rộng tất cả các bước trong chuỗi cung ứng để phù hợp với việc sản xuất trong tương lai xe điện có thể yêu cầu một tốc độ tăng trưởng chưa từng có.

Vật liệu và chế biến

Khi đánh giá tiềm năng mở rộng quy mô thiết kế pin, một yếu tố khác cần xem xét là độ khó của quá trình sản xuất và cách nó có thể ảnh hưởng đến chi phí. Việc chế tạo pin thể rắn chắc chắn phải trải qua nhiều bước và việc hỏng hóc ở bất kỳ bước nào cũng làm tăng giá thành của mỗi viên pin được sản xuất thành công.

Như một đại diện cho các khó khăn trong sản xuất, các nhà nghiên cứu đã khám phá tác động của tỷ lệ hỏng hóc đối với chi phí tổng thể đối với các thiết kế pin thể rắn được chọn trong cơ sở dữ liệu của họ. Trong một ví dụ, họ tập trung vào oxit LLZO. LLZO cực kỳ giòn và ở nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất, một tấm lớn đủ mỏng để sử dụng trong pin trạng thái rắn hiệu suất cao có thể bị nứt hoặc cong vênh.

Để xác định tác động của những hỏng hóc như vậy đối với chi phí, họ đã mô hình hóa bốn bước xử lý chính trong việc lắp ráp pin dựa trên LLZO. Ở mỗi bước, họ đã tính toán chi phí dựa trên lợi nhuận giả định - nghĩa là phần nhỏ của tổng số đơn vị đã được xử lý thành công mà không bị lỗi. Với LLZO, năng suất thấp hơn nhiều so với các thiết kế khác mà họ đã kiểm tra; và, khi năng suất giảm, chi phí cho mỗi kilowatt giờ (kWh) năng lượng pin tăng lên đáng kể. Ví dụ: khi thêm 5% đơn vị bị lỗi trong bước sưởi ấm cực âm cuối cùng, chi phí sẽ tăng lên khoảng 30 đô la / kWh — một thay đổi không đáng kể khi xem xét chi phí mục tiêu thường được chấp nhận cho loại pin như vậy là 100 đô la / kWh. Rõ ràng, những khó khăn trong sản xuất có thể có tác động sâu sắc đến khả năng tồn tại của một thiết kế để áp dụng trên quy mô lớn.

Vật liệu và hiệu suất

Một trong những thách thức chính trong việc thiết kế pin hoàn toàn rắn đến từ “giao diện” - nghĩa là nơi một thành phần gặp nhau. Trong quá trình sản xuất hoặc vận hành, vật liệu tại các giao diện đó có thể trở nên không ổn định. Các nguyên tử bắt đầu đi đến những nơi mà chúng không nên làm và hiệu suất pin giảm.

Do đó, nhiều nghiên cứu được dành để tìm ra các phương pháp ổn định giao diện trong các thiết kế pin khác nhau. Nhiều phương pháp được đề xuất làm tăng hiệu suất; và kết quả là chi phí của pin tính bằng đô la trên mỗi kWh giảm xuống. Nhưng việc thực hiện các giải pháp như vậy thường liên quan đến vật liệu và thời gian bổ sung, làm tăng chi phí cho mỗi kWh trong quá trình sản xuất quy mô lớn.

Để minh họa cho sự đánh đổi đó, trước tiên các nhà nghiên cứu đã kiểm tra oxit của họ, LLZO. Ở đây, mục đích là ổn định mặt phân cách giữa chất điện phân LLZO và điện cực âm bằng cách chèn một lớp thiếc mỏng vào giữa hai chất này. Họ đã phân tích các tác động — cả tích cực và tiêu cực — đối với chi phí thực hiện giải pháp đó. Họ phát hiện ra rằng việc bổ sung bộ tách thiếc làm tăng khả năng lưu trữ năng lượng và cải thiện hiệu suất, giúp giảm chi phí đơn vị tính bằng đô la / kWh. Nhưng chi phí bao gồm cả lớp thiếc vượt quá mức tiết kiệm được nên chi phí cuối cùng cao hơn chi phí ban đầu.

Trong một phân tích khác, họ đã xem xét một chất điện phân sunfua gọi là LPSCl, bao gồm liti, phốt pho và lưu huỳnh có thêm một chút clo. Trong trường hợp này, điện cực dương kết hợp các phần tử của vật liệu điện phân — một phương pháp đảm bảo rằng các ion liti có thể tìm thấy đường đi qua chất điện phân đến điện cực khác. Tuy nhiên, các hạt điện phân được thêm vào không tương thích với các hạt khác trong điện cực dương - một vấn đề khác về giao diện. Trong trường hợp này, giải pháp tiêu chuẩn là thêm “chất kết dính”, một vật liệu khác làm cho các hạt dính lại với nhau.

Phân tích của họ xác nhận rằng nếu không có chất kết dính, hiệu suất sẽ kém và chi phí của pin dựa trên LPSCl là hơn 500 đô la / kWh. Việc thêm chất kết dính giúp cải thiện hiệu suất đáng kể và chi phí giảm gần 300 USD / kWh. Trong trường hợp này, chi phí thêm chất kết dính trong quá trình sản xuất thấp đến mức về cơ bản, tất cả các khoản giảm chi phí từ việc thêm chất kết dính đều được thực hiện. Ở đây, phương pháp được thực hiện để giải quyết vấn đề giao diện sẽ được đền đáp với chi phí thấp hơn.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu tương tự về các loại pin thể rắn đầy hứa hẹn khác được báo cáo trong tài liệu và kết quả của họ nhất quán: Việc lựa chọn vật liệu và quy trình pin có thể ảnh hưởng không chỉ đến kết quả ngắn hạn trong phòng thí nghiệm mà còn cả tính khả thi và chi phí sản xuất đề xuất pin thể rắn ở quy mô cần thiết để đáp ứng nhu cầu trong tương lai. Kết quả cũng cho thấy rằng việc xem xét cả ba yếu tố cùng nhau — tính khả dụng, nhu cầu xử lý và hiệu suất của pin — là rất quan trọng vì có thể có các hiệu ứng tập thể và sự đánh đổi liên quan.