Chia sẻ bài viết
Công nghệ pin đã phát triển vượt bậc kể từ khi cột Volta sơ khai ra đời cách đây hơn hai thế kỷ. Sự đổi mới mang tính đột phá của pin lithium-ion cùng những cải tiến tiếp theo đã mở rộng việc sử dụng và khả năng tiếp cận của các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong thị trường tiêu dùng. Các thiết bị điện tử ngày nay trở nên di động hơn, giá cả phải chăng hơn, và nhờ có pin sạc lại (pin thứ cấp), chúng cũng đang trở nên bền vững hơn. Bài viết giới thiệu sự phát triển của pin lithium-ion và các kỹ thuật điện hóa quan trọng như GITT, PITT, CC-CV và EIS để đặc trưng hóa hiệu suất và vật liệu của pin Li-ion.
Bài viết gồm những nội dung sau:
1. Xu hướng Pin Lithium ion trong tương lai
Sự mở rộng các khả năng ứng dụng là một lý do khác khiến nghiên cứu về lưu trữ năng lượng, đặc biệt là pin, đang trở thành chủ đề nóng hiện nay. Ví dụ, chỉ một thập kỷ trước, máy bay không người lái (drone) vẫn còn là lĩnh vực độc quyền của ngành công nghiệp quân sự, nhưng giờ đây một chiếc drone gắn camera đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong bộ công cụ của hầu hết nhiếp ảnh gia hoặc influencer thành công. Nhờ thời lượng pin được cải thiện và vật liệu tiết kiệm chi phí hơn, drone ngày nay đã có mức giá phải chăng cho một bộ phận lớn dân số dân sự.
Sự gián đoạn (disruption) như thế này cũng đang diễn ra ở những thị trường lớn hơn và sinh lợi hơn. Tesla – một thương hiệu thường xuyên được nhắc đến nhờ những đổi mới công nghệ và hoạt động truyền thông – hiện vẫn chỉ chiếm một thị phần nhỏ trong toàn bộ thị trường ô tô, mặc dù đang tăng trưởng. Thành công của họ đã thách thức các thương hiệu lâu đời khác phải nhận ra rằng việc chuyển đổi từ động cơ đốt trong truyền thống có thể mang lại lợi nhuận. Volvo và Ford đã cam kết trở thành hãng «hoàn toàn xe điện» vào năm 2030 [1]. General Motors (GM) không chỉ cam kết chuyển sang xe điện vào năm 2035, mà còn đặt mục tiêu trung hòa carbon cho toàn bộ hoạt động kinh doanh vào năm 2040 [2].
Thị trường ô tô là một ví dụ điển hình về một ngành công nghiệp sẽ phải tái cấu trúc mạnh mẽ – từ sản xuất đến bán hàng – và điều này cũng sẽ diễn ra ở nhiều ngành khác khi cả chính phủ lẫn người tiêu dùng ngày càng tập trung vào biến đổi khí hậu và các nguồn năng lượng tái tạo. Để những chuyển đổi này trở thành hiện thực, sẽ cần có hoạt động R&D chính xác và có thể mở rộng quy mô, và việc tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến chính là trọng tâm của những thay đổi này.
Điện hóa chính là chìa khóa dẫn đến sự ra đời của công nghệ lưu trữ năng lượng và là kỹ thuật tự nhiên được lựa chọn cho những đổi mới trong tương lai.
2. Kỹ thuật phân tích các đặc tính điện hóa của pin lithium ion
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ nêu bật các kỹ thuật cho phép phân tích nhiều thuộc tính của hoạt động điện hóa của pin Lithium ion bằng cách sử dụng thiết bị điện hóa potentiostat/galvanostat có độ chính xác cao. Trong một số trường hợp, sự khác biệt giữa các kỹ thuật là do thực hiện thử nghiệm ở một chế độ khác (VD: potentiostatic hoặc galvanostactic ) và thông tin thu thập thêm cung cấp một bức tranh đầy đủ hơn về hoạt động của pin.
3. Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT)
Một trong những kỹ thuật đầu tiên cho các nhà nghiên cứu khảo sát các đặc tính của vật liệu điện cực pin là Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT). Thường được tiến hành trên một nửa cell (half-cell), kỹ thuật này là một chuỗi các nhiễu động dòng điện theo sau là thời gian hồi phục, cung cấp thông tin về các đặc tính nhiệt động học và vật liệu điện cực bao gồm cả hệ số khuếch tán tới hạn. Tất cả thông tin này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về đặc tính điện hóa được mong đợi ở vật liệu.
Nếu bạn đang tìm kiếm thêm thông tin về chủ đề này, hãy tải xuống ghi chú ứng dụng AN-BAT-003 miễn phí của chúng tôi.
4. Potentiostatic Intermittent Titration Technique (PITT)
Potentiostatic Intermittent Titration Technique (PITT) tương tự như kỹ thuật GITT được trình bày chi tiết ở trên, nhưng thiết bị điện hóa PGSTAT được vận hành ở chế độ thế tĩnh (potentiostatic). Một chuỗi các nhiễu động bước thế được đặt vào hệ thống và dòng điện được đo dưới dạng một hàm số của thời gian. Cả GITT và PITT đều có khả năng xác định hệ số khuếch tán một cách chính xác.
Muốn tìm hiểu thêm? Tải xuống ghi chú ứng dụng AN-BAT-004 miễn phí của chúng tôi!
Khi sử dụng thiết bị điện hóa PGSTAT ở chế độ dòng tĩnh, bạn cũng có thể khảo sát hiệu suất của pin Li-ion bằng cách sử dụng các mức dòng điện khác nhau và sạc và xả during various cycles, trong các chu kỳ khác nhau, được gọi một cách thông tục là «đo chu kỳ». Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu có thể biết được hiệu năng của pin Li-ion khi làm việc ở cường độ dòng điện cao, dung lượng của nó, công suất và mật độ năng lượng liên quan. Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu pin. Quy trình dòng điện không đổi (constant current) - điện áp không đổi (constant voltage) (CC-CV) thường được áp dụng để đảm bảo rằng pin đã được sạc đầy, đồng thời tránh mọi trường hợp pin bị sạc quá mức.
Tìm hiểu thêm về cách đặc trưng hóa hiệu suất của pin lithium-ion thông qua chu kỳ sạc–xả bằng cách tải xuống miễn phí Tài liệu Ứng dụng này.
Galvanostatic charge-discharge of a Li-ion battery with Autolab
CC-CV là tiêu chuẩn trong công nghiệp để sạc pin Lithium và thiết bị điện hóa PGSTAT hoạt động ở cả chế độ dòng tĩnh và thế tĩnh cho phép đo này. Quá trình sạc xả được thực hiện trong một vùng thế an toàn mà tại đó chất điện phân ổn định. Bất kỳ sai lệch nhỏ nào so với điện áp giới hạn có thể dẫn đến vòng đời kém.
5. Phổ trở kháng điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS)
Phổ trở kháng điện hóa (EIS) hay còn gọi là phổ tổng trở cung cấp kết quả bổ sung và do đó giúp ta hiểu rõ hơn về hoạt động và hiệu năng của pin bằng cách sử dụng phương pháp chu kỳ, tiến hành sạc/xả dòng tĩnh và sau đó thêm vào kỹ thuật mạnh mẽ nhất đang được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu pin hiện tại. Với EIS, biểu hiện động học cao của pin và sự khuếch tán của các ion tại các bề mặt tiếp xúc có thể được mô tả. Trong mỗi quy trình thí nghiệm bao gồm một dải tần số rộng, ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý và hóa học chi phối có thể được tách riêng và phân biệt ở một dải tần số và trạng thái tích điện nhất định. Với EIS, có thể đo trở kháng bên trong của pin và lập mô hình mạch điện tương đương để biết được sự đóng góp của các thành phần pin vào tổng trở kháng của cả cell.
Để xác định EIS của pin, điều quan trọng là sử dụng cảm biến 4 cực (4-terminal sensing) để hạn chế sự ảnh hưởng của dây vào tổng trở. Điều này rất quan trọng đối với bất kỳ hệ thống điện hóa có trở kháng thấp nào. Tìm hiểu thêm về nghiên cứu này bằng cách tải xuống Ghi chú Ứng dụng miễn phí phía dưới của chúng tôi.
The importance of using four-terminal sensing for EIS measurements on low-impedance systems
Metrohm Autolab DuoCoin Cell Holder with EIS measurements on a commercial battery
Với EIS, có thể xác định độ uốn xuyên mặt phẳng (through-plane tortuosity of battery electrodes), của các điện cực pin, cùng với độ dẫn điện tổng thể, số truyền của chất điện phân trong pin Li-ion, và hệ số khuếch tán của chất điện phân là một chỉ dẫn tốt về tính thực tế của một số đặc tính hóa học pin cho các ứng dụng công suất cao. Ngoài ra, hạn chế trong truyền khối của màng ngăn pin và độ dẫn ion của nó đóng một vai trò quan trọng trong hiệu năng tổng thể của pin.
Bằng cách xác định số MacMullin, các nhà nghiên cứu có thể đánh giá chất lượng của màng ngăn để ứng dụng trong các cell pin Li-ion nhất định.
Tải xuống Ghi chú Ứng dụng miễn phí của chúng tôi bên dưới để biết thêm thông tin về các chủ đề này.
Determination of the Lithium Ion Transference Number of a Battery Electrolyte by VLF-EIS
Determination of the binary diffusion coefficient of a battery electrolyte
Tải xuống tài liệu miễn phí «Hướng dẫn Nghiên cứu và Phát triển Pin Li-ion» được viết bởi các nhà cải tiến thiết bị điện hóa tại Metrohm Autolab. Tài liệu này cung cấp thông tin bổ sung về các kỹ thuật điện hóa áp dụng và cung cấp các định nghĩa hữu ích cho các thuật ngữ liên quan đến nghiên cứu và phát triển pin Li-ion.
