Phép thử Nhanh tạo ra Vật liệu Pin có Năng lượng Cao

Nhằm khởi động để tạo nên một quá trình tự động có thể thúc đẩy việc phát triển pin rẻ hơn cho xe ô tô điện.

Dùng phương pháp tự động mới để nhanh chóng sản xuất và thử nghiệm hàng ngàn đơn vị pin, Wildcat Discovery Technologies, khờin nghiệp tại San Diego, California, đã phát triển vật liệu mới có thể tăng dung lượng lưu trữ của pin lithium-ion cho xe ô tô và điện tử cầm tay hơn 25 phần trăm.

Pin fab: Gian phòng kín này chứa các thiết bị tự động để sản xuất và thử nghiệm hàng trăm bộ pin mỗi tuần. Mỗi pin được làm từ các vật liệu thí nghiệm khác nhau. Ảnh: Wildcat Discovery Technologies

Pin làm từ các vật liệu mới có thể tăng quãng đường đi của xe điện hoặc cho phép các nhà sản xuất ô tô nếu giữ cùng một quãng đường đi sẽ dùng số lượng pin ít hơn, do đó giảm chi phí gói pin, phần đắt nhất của một chiếc xe điện. Vẫn còn việc cần phải làm để nâng cao độ bền của vật liệu mới, nhưng các kết quả cung cấp xác nhận cho các kỹ thuật sàng lọc thông lượng cao của Wildcat cho phép các nhà nghiên cứu nhanh chóng sắp xếp thông qua những sự kết hợp các vật liệu.

Sàng lọc thông lượng cao phổ biến trong các ngành công nghiệp thuốc và hóa chất để phát hiện ra các hợp chất và chất xúc tác mới, và kỹ thuật này đã thâm nhập vào sự phát triển pin. Điều làm cho quy trình của Wildcat khác biệt là nó cho ra các bộ pin hoàn chỉnh, chứ không phải riêng từng bộ phận của pin, như chỉ điện cực chẳng hạn. Điều này là quan trọng bởi vì hiệu quả của bất kỳ vật liệu nào trong pin phụ thuộc vào cách nó tương tác với các phần khác. ”Với phương pháp tiếp cận thông thường, bạn sẽ có rất nhiều dương tính giả và âm tính giả”, phát biểu của ông Steven Kaye, giám đốc khoa học của Wildcat. Một vật liệu điện cực có vẻ đầy hứa hẹn khi đứng riêng một mình có thể thất bại trong một bộ pin hoàn chỉnh vì nó còn phải tương tác với chất điện phân, phụ gia, và điện cực kia, ông nói. Và một vật liệu trông có vẻ tầm thường lại có thể cải thiện rõ rệt khi trộn với các vật liệu khác trong pin.

Vật liệu mới của Wildcat, một biến thể của phosphate lithium cobalt, là vật liệu mà bình thường đã bị từ chối vì khi nó hoạt động dưới một điện áp sẽ nhanh chóng phá hủy chất điện phân của pin, chất lỏng để truyền dẫn các ion lithium giữa các điện cực. Nhưng các nhà nghiên cứu kết hợp vật liệu này với nhiều công thức chất điện phân mới khác nhau và cuối cùng phát hiện ra một chất có thể tồn tại ở điện áp cao. Tổng cộng, công ty đã sàn lọc được 4.000 vật liệu trong vòng khoảng bốn tháng để tìm ra những vật liệu dùng được.

Quá trình bắt đầu với việc pha trộn tự động các vật liệu lỏng dự định trước, tiếp theo là sản xuất bột điện cực với các đặc tính khác nhau, rồi định dạng các phim điện cực, rồi kết hợp các điện cực, rồi phân cách, rồi đến các chất điện phân, tất cả cho vào trong một viên pin dạng đồng xu như loại pin dùng cho đồng hồ. Những viên pin này sẽ được kiểm tra, và cái tốt nhất sẽ được hoàn thiện thêm.

Khả năng sắp xếp thông qua hàng ngàn các tổ hợp vật liệu và kết hợp chúng vào các tế bào pin hoàn chỉnh “là khá ấn tượng”, phát biểu của ông Jeff Dahn, một giáo sư vật lý tại Đại học Dalhousie người sử dụng phương pháp thông lượng cao để nghiên cứu vật liệu pin. “Họ đã đi một chặng đường dài trong một thời gian ngắn,” ông nói.

Wildcat được thành lập vào năm 2006 và đã đạt được 16,5 triệu USD vốn liên doanh. Cũng đã có doanh thu từ hơn 40 dự án nghiên cứu với các nhà sản xuất lớn. Sáng lập viên bao gồm Peter Schultz, một giáo sư tại Viện Nghiên cứu Scripps và là nhà tiên phong của hóa học tổ hợp thông lượng cao.

Pin sử dụng vật liệu mới của Wildcat sẽ lưu trữ năng lượng khoảng 60 phần trăm nhiều hơn so với các các pin phosphat sắt lithium, một loại pin đang được sử dụng bởi các nhà sản xuất xe điện. So với một số pin năng lượng cao có thể được dùng cho thế hệ xe điện kế tiếp, chẳng hạn như loại sử dụng một hỗn hợp của niken, mangan, và coban, các vật liệu mới này có thể mang lại sự gia tăng năng lượng hơn 25 phần trăm về thể tích, Kaye nói.

Chưa rõ là vật liệu mới này sẽ ảnh hưởng đến giá thành pin tổng thể như thế nào. Sự cải thiện dung lượng sẽ làm giảm giá thành, và điện áp từng đơn vị pin cao hơn sẽ đơn giản hóa hệ thống đấu nối trong gói pin, và cũng sẽ làm giảm giá thành, nhưng việc sử dụng coban sẽ đắt hơn việc dùng phosphate sắt lithium. Để giảm chi phí, công ty đang làm việc trên các vật liệu điện cực để thay thế nickel cho coban.

Các công thức chất điện phân mới mà công ty đã phát triển có thể mở ra khả năng sử dụng vật liệu điện cực có điện áp tương đối cao, bao gồm một lớp vật liệu gọi là fluorophosphates, mà khi ghép nối với các điện cực đối diện hiệu năng cao, có thể tăng dung lượng pin gấp đôi, Kaye nói.

Công ty hiện đang sản xuất các lô thử nghiệm các vật liệu mới và hy vọng sẽ cấp giấy phép công nghệ cho vật liệu và cho các công ty sản xuất pin, nhưng độ bền của vật liệu vẫn còn cần phải được cải thiện. Sau 150 chu kỳ sạc, dung lượng của vật liệu điện cực đã giảm 20 phần trăm. Để sử dụng trong thiết bị điện tử xách tay, pin cần phải kéo dài vài trăm chu kỳ. Đối với xe điện, pin phải giữ lại được 80 phần trăm dung lượng sau hàng ngàn chu kỳ sạc.