EIS Tần Số Cao: Bước Tiến Mới trong Công Nghệ Pin Thể Rắn (SSB) cho Xe Điện

11 thg 3, 2024

Bài viết

Thị trường xe điện (EVs) đang phát triển nhanh chóng nhờ các yếu tố môi trường và kinh tế. Khi xe điện trở nên phổ biến hơn, những tiến bộ trong công nghệ pin sẽ rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng của ngành công nghiệp đang phát triển này. Pin thể rắn (SSBs) mang đến một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho công nghệ pin lithium-ion thông thường. Khảo sát tính chất điện hóa của SSBs có thể gặp nhiều khó khăn, nhưng bằng cách sử dụng phổ trở kháng điện hóa hay thường gọi là phổ tổng trở (EIS) ở tần số cao (lên đến 10 MHz), các quá trình nhanh được ghi nhận dễ dàng hơn.

Bài viết bao gồm những nội dung như sau:

Giới thiệu
Kỹ thuật phân tích đặc trưng của pin thể rắn
Thiết bị phù hợp cho nghiên cứu pin thể rắn
Các khía cạnh thực tế khi đo EIS ở tần số cao
Kết luận

Battery charging status interface on electric vehicle

1. Giới thiệu

Xe điện mang lại lượng khí thải trực tiếp bằng 0 và chi phí nhiên liệu thấp hơn so với các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Doanh số xe điện toàn cầu đạt 13,6 triệu chiếc vào năm 2023 và con số này dự kiến sẽ tăng đáng kể trong tương lai gần [1,2].

Pin cung cấp năng lượng cho xe điện phải lưu trữ nhiều năng lượng hơn đồng thời an toàn hơn, nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn so với công nghệ hiện tại. Việc cải thiện mật độ năng lượng đặc biệt quan trọng vì bộ pin là một trong những thành phần nặng và đắt nhất của xe điện. Cải thiện hiệu suất pin sẽ khiến cho các nhà sản xuất ô tô có thể sản xuất ra những chiếc xe điện có thể cạnh tranh với xe sử dụng động cơ đốt trong về phạm vi di chuyển và giá mua.

Như đã đề cập trong một blog trước, pin thể rắn (SSBs) là một lựa chọn thay thế tiềm năng vượt trội so với pin lithium-ion (LIBs). SSBs có thể thúc đẩy sự phổ biến rộng rãi của xe điện bằng cách cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhờ sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng dễ cháy. Độ bền vốn có của chất điện phân rắn giúp cải thiện an toàn so với pin lithium-ion bằng cách giảm đáng kể nguy cơ cháy do đoản mạch. Ngoài ra, chất điện phân rắn thường ổn định hơn về mặt hóa học và nhiệt hơn chất điện phân lỏng, giúp giảm sự thoái hóa và hình thành dendrite theo thời gian.

Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển (ngoại trừ một số trường hợp ngoại lệ [3]), công nghệ pin thể rắn (SSB) mang lại nhiều triển vọng trong việc cải thiện hiệu suất pin. Điều này bao gồm khả năng hoạt động ở điện áp cao hơn, tuổi thọ pin dài hơn, và sạc nhanh hơn. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức lớn trong việc phát triển chất điện phân rắn có thể dẫn ion hiệu quả như chất lỏng ở nhiệt độ phòng.

Mặc dù các hệ thống pin thể rắn toàn phần có tiềm năng lớn, chúng gặp phải vấn đề tiếp xúc tại các giao diện giữa điện cực dương và chất điện phân composite (Hình 1, bên phải). Các giao diện «rắn-rắn» này gây ra thách thức đối với sự di chuyển hiệu quả của ion và electron trong pin.

Để giải quyết hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất các hệ thống chất điện phân lai rắn/lỏng (SE/LE). Bằng cách tích hợp một thành phần chất điện phân lỏng, các hệ thống này nhằm cải thiện hiệu suất của điện cực dương và giảm thiểu các vấn đề tiếp xúc được mô tả ở trên [4].

2. Kỹ thuật phân tích đặc trưng pin thể rắn

Việc đặc trưng SSB gặp phải những thách thức điện hóa mới đối với các nhà nghiên cứu. Điều này là do việc sử dụng các vật liệu mới trong SSB so với những vật liệu có trong pin lithium-ion (LIB) thông thường.

Trong các cell lỏng, các phép đo phổ trở kháng điện hóa (EIS) thường bị giới hạn dưới 100 kHz (xem tài liệu ứng dụng ở cuối bài viết này). Tuy nhiên, các hằng số thời gian liên quan đến các quá trình cơ bản trong pin điện phân rắn (ví dụ, sự khuếch tán ion lithium trong các hạt và sự khuếch tán giữa các hạt xảy ra tại các biên hạt) xảy ra ở các thang thời gian nhanh hơn rất nhiều [5].

Hình 2 hiển thị mô tả sơ lược trở kháng được tạo ra bằng công cụ mô phỏng có sẵn trong phần mềm NOVA của Metrohm Autolab, dựa trên dữ liệu được công bố bởi Fuchs et al. [6]. Thiết lập thí nghiệm bao gồm một chất điện phân hỗn hợp rắn/ion lỏng (SE/ILE) với các điện cực kim loại lithium đối xứng.

Biểu đồ Nyquist trong cấu hình này hiển thị bốn bán nguyệt. Chúng được tạo ra thông qua một phương pháp mô hình hóa kết hợp năm hằng số thời gian riêng biệt sử dụng phương pháp trọng số tỷ lệ.

Trong dải tần số thấp, ba hằng số thời gian được xác định. Một hằng số liên quan đến phản ứng điện hóa (RC_{EC Reaction}) tại cực dương kim loại lithium. Hai hằng số còn lại, được kết hợp (RC_{SLEI + SEI}), đại diện cho quá trình chuyển ion qua ranh giới pha SE/ILE, xem xét cả lớp giao diện chất điện phân rắn-lỏng (SLEI) và lớp giao diện chất điện phân rắn (SEI) [6].

Ở tần số trung bình, bán nguyệt nhỏ đại diện cho tính di động của ion giữa các biên hạt của chất điện phân rắn (RC_{Grain boundaries}). Ở tần số cao hơn, bán nguyệt tương ứng với tính di động của ion trong khối các hạt chất điện phân rắn (RC_Bulk). Điện trở chưa bù của chất điện phân lỏng có thể bỏ qua, vì sự hiện diện của nó bị giới hạn trong một lớp cực kỳ mỏng [7].

So sánh hai đường cong trong Hình 2, rõ ràng rằng một phân tích bị giới hạn ở 1 MHz sẽ không đủ để đặc trưng hoàn toàn cell này. Bán nguyệt đại diện cho sự di động của ion trong khối chỉ xuất hiện ở tần số cao hơn.

3. Trang thiết bị phù hợp cho nghiên cứu Pin thể rắn SSB

Các thiết bị potentiostat/galvanostat truyền thống (PGSTATs) được sử dụng cho EIS thường có dải tần số sử dụng tối đa là 1 MHz hoặc thấp hơn. Mặc dù đủ để đặc trưng hầu hết các cell lỏng, giới hạn trên này không đủ để phân tích các dấu hiệu trở kháng của cơ chế vận chuyển trong chất điện phân rắn. Các chất điện phân rắn có tầm quan trọng thực tiễn thường là polycrystalline hoặc polymer, và độ dẫn điện khối và biên hạt cần được xem xét [6].

Các PGSTAT hiện đại với bộ phân tích phản hồi tần số (FRA) đã được phát triển để thực hiện các thử nghiệm EIS lên tới 10 MHz (cao gấp một bậc so với PGSTATs chuẩn). Các PGSTAT như vậy đã trở thành công cụ thiết yếu trong nghiên cứu và phát triển SSB.

Nhấn vào để tìm hiểu thêm về VIONIC powered by INTELLO – tương lai của điện hóa.

4. Các khía cạnh thực tế khi đo EIS ở tần số cao

Các thiết lập thí nghiệm và phần cứng phù hợp, có khả năng đo ở dải tần số cao trên 1 MHz là cần thiết để hiểu đầy đủ các cơ chế vận chuyển ion trong các vật liệu rắn mới [7].

Để đảm bảo kết quả EIS chính xác ở khoảng đo trên 1 MHz, điều quan trọng là phải nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng dây cáp ngắn, kết nối tốt. Đây là tính năng tiêu chuẩn đi kèm với VIONIC, giải quyết các đóng góp trở kháng rò rỉ từ cáp và bộ kết nối. Những đóng góp này có thể làm giảm độ chính xác của phép đo ở tần số cao (xem Tài liệu ứng dụng ở cuối bài viết này).

5. Kết luận

EIS đã trở thành công cụ thiết yếu trong nghiên cứu pin, được đánh giá cao nhờ độ chính xác cao và thời gian thực hiện ngắn.

Các phương pháp EIS với dải tần lên đến 100 kHz thường phù hợp cho các pin lithium-ion tiêu chuẩn, nhưng không đủ khả năng ghi lại các quá trình nhanh như sự khuếch tán ion trong khối hoặc tại các biên hạt của chất điện phân rắn.

Vì độ dẫn điện khối là tham số quan trọng để đánh giá các pin SSBs hoặc pin SE/LE «hybrid», việc lựa chọn một PGSTAT có thể đạt tần số EIS lên đến 10 MHz là rất quan trọng đối với loại ứng dụng này.

Nếu bạn có câu hỏi, vui lòng liên hệ với Metrohm Việt Nam để được trợ giúp và các khuyến nghị thêm. Hãy liên hệ với chúng tôi để được demo sản phẩm!