Pin thể rắn: lộ trình pin thế hệ tiếp theo

Pin thể rắn: lộ trình pin thế hệ tiếp theo

Vào ngày 14 tháng XNUMX, theo "The Korea Times" và các báo cáo truyền thông khác, Samsung có kế hoạch hợp tác với Hyundai để phát triển xe điện và cung cấp pin điện cũng như các bộ phận ô tô được kết nối khác cho xe điện của Hyundai. Giới truyền thông dự đoán rằng Samsung và Hyundai sẽ sớm ký một biên bản ghi nhớ không ràng buộc về việc cung cấp pin. Có thông tin cho rằng Samsung đã giới thiệu loại pin thể rắn mới nhất của mình cho Hyundai.

Theo Samsung, khi pin nguyên mẫu của hãng được sạc đầy, nó có thể cho phép một chiếc ô tô điện chạy hơn 800 km cùng một lúc, với thời lượng pin hơn 1,000 lần. Khối lượng của nó nhỏ hơn 50% so với pin lithium-ion có cùng dung lượng. Vì lý do này, pin thể rắn được coi là loại pin năng lượng phù hợp nhất cho xe điện trong mười năm tới.

Vào đầu tháng 2020 năm XNUMX, Viện Nghiên cứu Cao cấp của Samsung (SAIT) và Trung tâm Nghiên cứu Samsung của Nhật Bản (SRJ) đã công bố "Pin kim loại thể rắn toàn thể rắn có năng lượng cao hoạt động bằng bạc" trên tạp chí "Nature Energy". - Cực dương composite cacbon "đã giới thiệu sự phát triển mới nhất của họ trong lĩnh vực pin thể rắn.

Loại pin này sử dụng chất điện phân rắn, không dễ cháy ở nhiệt độ cao và cũng có thể ức chế sự phát triển của các đuôi gai lithium để tránh làm thủng mạch ngắn. Ngoài ra, nó sử dụng lớp hỗn hợp bạc-cacbon (Ag-C) làm cực dương, có thể tăng mật độ năng lượng lên 900Wh / L, có tuổi thọ chu kỳ dài hơn 1000 chu kỳ và hiệu suất đồng kết hợp rất cao (điện tích và hiệu suất xả) là 99.8%. Nó có thể tiêu hao pin sau một lần thanh toán. Xe đã đi 800 km.

Tuy nhiên, SAIT và SRJ đã xuất bản bài báo này là các tổ chức nghiên cứu khoa học chứ không phải là Samsung SDI, vốn tập trung vào công nghệ. Bài viết chỉ làm rõ nguyên lý, cấu tạo và hiệu suất của pin mới. Theo đánh giá sơ bộ, loại pin này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và khó có thể sản xuất hàng loạt trong thời gian ngắn.

Sự khác biệt giữa pin thể rắn và pin lithium-ion lỏng truyền thống là chất điện phân rắn được sử dụng thay cho chất điện phân và chất phân tách. Không cần thiết phải sử dụng các cực dương graphit xen kẽ liti. Thay vào đó, liti kim loại được sử dụng làm cực dương, điều này làm giảm số lượng vật liệu làm cực dương. Pin nguồn có mật độ năng lượng cơ thể cao hơn (> 350Wh / kg) và tuổi thọ cao hơn (> 5000 chu kỳ), cũng như các chức năng đặc biệt (chẳng hạn như tính linh hoạt) và các yêu cầu khác.

Hệ thống pin mới bao gồm pin thể rắn, pin lithium và pin không khí kim loại. Ba loại pin thể rắn có những ưu điểm của chúng. Chất điện phân polyme là chất điện phân hữu cơ, còn oxit và sunfua là chất điện phân gốm vô cơ.

Nhìn vào các công ty pin thể rắn toàn cầu, có những công ty khởi nghiệp và cũng có những nhà sản xuất quốc tế. Các công ty đang đơn độc trong hệ thống điện phân với những niềm tin khác nhau, và không có xu hướng tích hợp hoặc dòng chảy công nghệ. Hiện nay, một số tuyến kỹ thuật gần với điều kiện công nghiệp hóa, con đường tự động hóa pin thể rắn đang được thực hiện.

Các công ty châu Âu và Mỹ ưa thích các hệ thống polymer và oxit. Công ty Bolloré của Pháp đã dẫn đầu trong việc thương mại hóa pin thể rắn dựa trên polymer. Vào tháng 2011 năm 30, xe điện chạy bằng pin polyme thể rắn XNUMX kwh + tụ điện hai lớp của họ đã tham gia vào thị trường xe hơi chia sẻ, đây là lần đầu tiên trên thế giới. Pin thể rắn thương mại cho xe điện.

Sakti3, một nhà sản xuất pin thể rắn oxit màng mỏng, được tập đoàn thiết bị gia dụng Dyson của Anh mua lại vào năm 2015. Nó phải chịu chi phí chuẩn bị màng mỏng và khó sản xuất quy mô lớn, và không có số lượng lớn. sản phẩm sản xuất trong một thời gian dài.

Kế hoạch của Maxwell đối với pin thể rắn là trước tiên sẽ thâm nhập vào thị trường pin nhỏ, sản xuất hàng loạt vào năm 2020 và sử dụng chúng trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng vào năm 2022. Để có thể ứng dụng thương mại nhanh chóng, trước tiên Maxwell có thể cân nhắc việc thử bán pin rắn trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, pin bán rắn đắt hơn và chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực nhu cầu cụ thể, gây khó khăn cho các ứng dụng quy mô lớn.

Các sản phẩm oxit không màng mỏng có hiệu suất tổng thể tuyệt vời và hiện đang được phát triển phổ biến. Cả Taiwan Huineng và Jiangsu Qingdao đều là những tay vợt có tên tuổi trên đường đua này.

Các công ty Nhật Bản và Hàn Quốc cam kết hơn nữa trong việc giải quyết các vấn đề công nghiệp hóa của hệ thống sulfua. Các công ty đại diện như Toyota và Samsung đã tăng tốc triển khai. Pin thể rắn sulfua (pin lithium-lưu huỳnh) có tiềm năng phát triển rất lớn do mật độ năng lượng cao và chi phí thấp. Trong số đó, công nghệ của Toyota là tiên tiến nhất. Nó đã phát hành pin Demo cấp ampe và hiệu suất điện hóa. Đồng thời, họ cũng sử dụng LGPS có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng cao hơn làm chất điện phân để chuẩn bị một bộ pin lớn hơn.

Nhật Bản đã khởi động một chương trình nghiên cứu và phát triển trên toàn quốc. Liên minh hứa hẹn nhất là Toyota và Panasonic (Toyota có gần 300 kỹ sư tham gia phát triển pin thể rắn). Nó cho biết họ sẽ thương mại hóa pin thể rắn trong vòng XNUMX năm.

Kế hoạch thương mại hóa pin thể rắn hoàn toàn do Toyota và NEDO phát triển bắt đầu bằng việc phát triển pin thể rắn hoàn toàn (pin thế hệ đầu tiên) sử dụng vật liệu tích cực và độc hại LIB hiện có. Sau đó, nó sẽ sử dụng các vật liệu tích cực và tiêu cực mới để tăng mật độ năng lượng (pin thế hệ tiếp theo). Toyota dự kiến ​​sẽ sản xuất nguyên mẫu xe điện thể rắn vào năm 2022 và sẽ sử dụng pin thể rắn trong một số mẫu xe vào năm 2025. Năm 2030, mật độ năng lượng có thể đạt 500Wh / kg để ứng dụng sản xuất hàng loạt.

Từ khía cạnh bằng sáng chế, trong số 20 người nộp đơn bằng sáng chế hàng đầu cho pin lithium thể rắn, các công ty Nhật Bản chiếm 11. Toyota nộp đơn nhiều nhất, đạt 1,709, gấp 2.2 lần so với Panasonic thứ hai. 10 công ty hàng đầu đều là của Nhật Bản và Hàn Quốc, trong đó có 8 công ty ở Nhật Bản và 2 công ty ở Hàn Quốc.

Từ góc độ bố trí bằng sáng chế toàn cầu của các bên nhận bằng sáng chế, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc và Châu Âu là các quốc gia hoặc khu vực quan trọng. Ngoài các đơn đăng ký địa phương, Toyota có số lượng đơn đăng ký nhiều nhất ở Hoa Kỳ và Trung Quốc, lần lượt chiếm 14.7% và 12.9% tổng số đơn đăng ký bằng sáng chế.

Việc công nghiệp hóa pin thể rắn ở nước tôi cũng đang được khám phá liên tục. Theo kế hoạch lộ trình kỹ thuật của Trung Quốc, vào năm 2020, Trung Quốc sẽ từng bước hiện thực hóa chất điện phân rắn, tổng hợp vật liệu catốt năng lượng cụ thể cao và công nghệ xây dựng hợp kim liti cấu trúc khung ba chiều. Nó sẽ nhận dạng sản xuất mẫu pin đơn dung lượng nhỏ 300Wh / kg. Vào năm 2025, công nghệ điều khiển giao diện pin thể rắn sẽ hiện thực hóa công nghệ nhóm và mẫu pin dung lượng lớn 400Wh / kg. Dự kiến, pin thể rắn và pin lithium-lưu huỳnh có thể được sản xuất hàng loạt và quảng bá vào năm 2030.

Các loại pin thế hệ tiếp theo trong dự án gây quỹ IPO của CATL bao gồm pin thể rắn. Theo báo cáo của NE Times, CATL dự kiến ​​ít nhất sẽ đạt được sản xuất hàng loạt pin thể rắn vào năm 2025.

Nhìn chung, công nghệ hệ thống polyme là công nghệ hoàn thiện nhất và sản phẩm cấp EV đầu tiên ra đời. Bản chất khái niệm và hướng tới tương lai của nó đã kích hoạt sự tăng tốc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển của những người đi sau, nhưng giới hạn trên của hiệu suất hạn chế sự phát triển và kết hợp với chất điện ly rắn vô cơ sẽ là một giải pháp khả thi trong tương lai; Quá trình oxy hóa; Trong hệ thống vật liệu, việc phát triển các loại màng mỏng là tập trung vào việc mở rộng công suất và sản xuất quy mô lớn, và hiệu suất tổng thể của các loại không màng tốt hơn, là trọng tâm của nghiên cứu và phát triển hiện nay; Hệ thống sulfide là hệ thống pin thể rắn hứa hẹn nhất trong lĩnh vực xe điện, Nhưng trong tình hình phân cực với lượng lớn dư địa cho sự phát triển và công nghệ chưa trưởng thành, việc giải quyết các vấn đề an ninh và các vấn đề về giao diện là trọng tâm của tương lai.

Những thách thức mà pin thể rắn phải đối mặt chủ yếu bao gồm:

• Giảm giá.
• Nâng cao độ an toàn của chất điện phân rắn.
• Duy trì sự tiếp xúc giữa các điện cực và chất điện phân trong quá trình sạc và xả.

Pin lithium-sulfur, lithium-air, và các hệ thống khác cần phải thay thế toàn bộ khung cấu trúc pin, và ngày càng có nhiều vấn đề đáng kể. Các điện cực âm và dương của pin thể rắn có thể tiếp tục sử dụng hệ thống hiện tại và khó khăn trong việc nhận ra là tương đối nhỏ. Là công nghệ pin thế hệ tiếp theo, pin thể rắn có độ an toàn và mật độ năng lượng cao hơn và sẽ trở thành cách duy nhất trong kỷ nguyên hậu lithium.