Chuẩn bị cho Những Tiến Bộ Mới trong Công Nghệ Pin vào năm 2021

Kể từ khi Volta phát hiện vào năm 1800 rằng một số loại chất lỏng có thể tạo ra dòng điện như một phần của phản ứng hóa học, thời đại của pin đã được sinh ra. Ít ai biết rằng Volta sẽ có một đơn vị được đặt theo tên mình (có lẽ là một trong những vinh dự lớn nhất mà một nhà khoa học có thể nhận được), và phát hiện của ông sẽ là nền tảng cho tất cả công nghệ di động được sử dụng ngày nay. Tiến nhanh đến ngày nay, và cấu trúc cơ bản của pin vẫn giống với loại được sử dụng trong pin Daniell, lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1836.

Ngày nay, cuộc trò chuyện xung quanh pin đã tập trung vào việc sử dụng chúng như là những phương tiện hỗ trợ cho các công nghệ khác, như củng cố nguồn năng lượng tái tạo và xe điện. Mặc dù có những tiến bộ lịch sử và gần đây trong công nghệ pin, nhiều thách thức vẫn còn tồn tại trong việc làm cho pin thân thiện với môi trường, rẻ hơn và an toàn hơn khi xả điện cao. Tuy nhiên, nhiều công ty đang làm việc để phát triển các nền tảng vật liệu mới cho pin mà không cần thay đổi lớn về hóa học pin.

Thách thức của Pin Ngày Nay

Các thách thức hiện tại trong pin và hệ thống lưu trữ năng lượng tập trung vào an toàn và thân thiện với môi trường. Hóa học pin tốt nhất hiện nay cho việc cung cấp năng lượng là Li-ion, cũng có những rủi ro an toàn lớn nhất, nhưng vẫn tương đương với hóa học nickel kim loại về dung lượng. Vì hóa học lithium đã cung cấp một số lợi thế về việc cung cấp năng lượng, nó đã trở thành trọng tâm của sự phát triển và cải tiến tiếp theo. Mặc dù có những lợi thế, pin Li-ion vẫn có nhược điểm của mình:

• Tuổi thọ: Ở đây, chúng ta đang nói về tuổi thọ hữu ích tổng thể của pin, chứ không phải dung lượng sạc. Tuổi thọ của pin Li-ion bị ảnh hưởng nhiều bởi độ sâu của việc sạc/xả, tốc độ sạc/xả, số chu kỳ sạc, nhiệt độ hoạt động, và hình dạng của cell. 

• An toàn khi sạc/xả: Pin Li-ion yêu cầu một mạch giám sát và bảo vệ năng lượng để ngăn chặn quá nhiệt và quá sạc. Tương tự, trong một chu kỳ xả, mạch bảo vệ giới hạn tốc độ xả để giữ điện áp của cell không giảm quá thấp. 

• Hình dạng so với dung lượng: Mặc dù điện thoại thông minh đã trở nên mỏng hơn, kích thước pin đã tăng lên để cung cấp dung lượng cao hơn. Kết quả là, nhiều linh kiện được tích hợp vào SoCs và lên các bảng mạch linh hoạt để tạo không gian cho pin lớn hơn. Việc tăng dung lượng mà không tăng kích thước vật lý của pin là điều mong muốn.

• Tái chế: Sự bùng nổ của các phương tiện điện mới dự kiến sẽ ra mắt trong tương lai gần đặt ra những mối quan tâm nghiêm trọng về cuộc sống sau khi sử dụng của pin Li-ion. Các vật liệu mới và cấu trúc pin mới có thể được yêu cầu để giảm năng lượng cần thiết để tái chế một pin Li-ion.

Các gói pin Li-ion polymer cung cấp một hình dạng linh hoạt với dung lượng và đặc tính sạc/xả cạnh tranh. Các vật liệu mới có thể tạo ra sự an toàn cao hơn với khả năng cung cấp năng lượng và dung lượng cao hơn.

Tiến bộ trong Công nghệ Pin Bắt Đầu Từ Vật liệu

Những tiến bộ gần đây nhất trong công nghệ pin tập trung vào việc chuyển đổi từ hóa học kiềm và hóa học kim loại niken sang hóa học lithium. Các tiến bộ sắp tới trong công nghệ pin chủ yếu tập trung vào các vật liệu giải quyết các thách thức được liệt kê ở trên, và không nhất thiết về các phương pháp và thành phần quản lý năng lượng bên ngoài. Nếu bạn nhìn vào ngành công nghiệp pin, có hai lĩnh vực mà các công ty đang đổi mới với các vật liệu mới: các điện cực và điện phân.

Vật liệu Anode/Cathode Bán xốp

Vật liệu xốp cung cấp một số ưu điểm độc đáo trong vật liệu anode và cathode của pin miễn là chúng có thể cung cấp điện trở thấp và dẫn nhiệt cao, điều này giải quyết mối quan tâm an toàn chính trong pin công suất cao/dung lượng cao cho xe điện. Một ví dụ về vật liệu anode là graphite phủ nanoribbon carbon, có thể dễ dàng kết hợp vào các anode hiện có cho pin Li-ion. Bản chất xốp của vật liệu cụ thể này cung cấp một diện tích bề mặt hoạt động lớn hơn, cho phép dòng điện sạc/xả lớn hơn vào/ra khỏi cực anode và lưu trữ Li-ion lớn hơn so với điện cực graphite rắn.

Pin Toàn trạng thái rắn

Pin trạng thái rắn được quan tâm vì chúng cho phép thay thế điện phân lỏng dễ cháy bằng điện phân rắn không cháy. Lithium cũng được quan tâm ở đây vì điều này sẽ cho phép hóa học của các hệ thống này được bảo toàn. Đầu năm nay, Samsung công bố phát triển nền tảng pin Li-ion toàn trạng thái rắn. Pin của Samsung sử dụng vật liệu composite bạc-carbon làm anode để ngăn chặn sự phát triển dendritic từ anode kim loại. Những pin này chưa có sẵn trên thị trường thương mại ngay lập tức, mặc dù việc sử dụng điện phân rắn được biết là an toàn hơn so với điện phân lỏng được sử dụng trong các pin thương mại hiện nay.

Các công ty như Toyota, Nissan, và VW-backed Quantumscape đang xây dựng nền tảng pin trạng thái rắn của riêng họ cho xe điện. Một khi được thương mại hóa, những nền tảng này có thể là game-changer cho xe điện vì chúng có thể cung cấp phạm vi hoạt động dài hơn trong một gói nhỏ hơn mà không cần thời gian sạc lâu hơn. Điều này đặt trọng tâm trở lại với các nhà thiết kế bảng mạch để xây dựng các hệ thống quản lý tốt nhất để hỗ trợ các nền tảng pin xe cộ an toàn và có hiệu suất cao nhất có thể.

Vật liệu Ngăn cách

Đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học vì màng ngăn cách cần phải có độ bền cao và độ xốp. Polyolefin được sử dụng làm màng ngăn trong các pin Li-ion thương mại, và bất kỳ vật liệu ngăn mới nào cũng cần phải cho phép trao đổi ion cao mà không tạo ra nhiệt dư thừa. Nó cũng cần phải có độ bền cơ học cao và ổn định hóa học. Các nhà nghiên cứu vẫn đang điều tra các vật liệu ngăn mới để đáp ứng những yêu cầu này mà không gây ra những thay đổi lớn đối với hóa học pin hoặc đặc tính điện.

Một số ví dụ về vật liệu màng ngăn. [Nguồn]

Tại sao lại tập trung vào việc sử dụng các nền tảng vật liệu đã được thương mại hóa? Hóa học hiện tại được sử dụng trong các pin hàng đầu ngành (hóa học kiềm hoặc lithium) đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và được chứng nhận về an toàn, cả bởi các cơ quan quản lý chính phủ và chính ngành công nghiệp pin. Một khi bạn thay đổi loại vật liệu, bạn cũng thay đổi hóa học, và quá trình đánh giá rộng rãi bắt đầu lại từ đầu. Do đó, nhiều người trong ngành ngần ngại chuyển đổi khỏi các nền tảng vật liệu hiện tại; khoản đầu tư và rủi ro là quá cao.

Khi những tiến bộ hơn nữa trong công nghệ pin dẫn đến các sản phẩm mới, chúng tôi sẽ ở đây để cập nhật cho bạn những tin tức và phân tích mới nhất. Khi bạn đang tìm kiếm một pin mới bền lâu, có dung lượng cao và các thành phần quản lý năng lượng cho hệ thống tiếp theo của mình, hãy sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trong Octopart. Bạn sẽ có quyền truy cập vào một công cụ tìm kiếm rộng lớn với dữ liệu của nhà phân phối và thông số kỹ thuật của các bộ phận, tất cả đều có thể truy cập qua một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp quản lý năng lượng của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.