Sự xuất hiện của các tế bào pin lithium trạng thái rắn đã viết lại hoàn toàn nhận thức của ngành rằng "chất điện phân lỏng=nguy cơ an toàn". Khi các chất điện giải lỏng truyền thống được thay thế bằng các chất điện phân rắn, các tế bào pin không chỉ đạt được đánh lửa bằng không trong các thử nghiệm đấm và đùn kim mà còn tạo ra mật độ năng lượng tác động lên tới 400Wh/kg, trở thành hướng cốt lõi của công nghệ thế hệ tiếp theo cho pin năng lượng.
1 'Ba vương quốc' của con đường công nghệ: Trò chơi các chất điện phân khác nhau
Chất điện phân polymer dựa trên PEO (polyetylen oxit), với độ dẫn ion nhiệt độ phòng chỉ 10 ⁻⁴ s/cm, nhưng nó có tính linh hoạt tốt và phù hợp để liên kết với các tế bào gói mềm. Xe nguyên mẫu pin trạng thái rắn của Toyota áp dụng giải pháp này bằng cách giảm độ dày chất điện phân xuống 20 m và kết hợp nó với điện cực âm dựa trên silicon có công suất cao, đạt được mức sạc nhanh đến 80% trong 10 phút và phạm vi hơn 1000 km. Tuy nhiên, hiệu suất ở nhiệt độ thấp của nó yếu hơn, với độ dẫn điện giảm 50% ở mức độ -10, làm cho nó phù hợp hơn để sử dụng ở các vùng ôn đới.
Độ dẫn điện của chất điện phân sunfua vượt quá 10 ⁻ s/cm, tiếp cận mức độ điện phân lỏng, nhưng nó dễ bị nứt do tính chất cơ học kém. Panasonic sử dụng công nghệ nanocompozit để trộn nó với ống nano carbon, tăng cường độ kéo của chất điện phân lên 15 MPa, có thể chịu được sự thay đổi thể tích của pin trong quá trình sạc và xả. Ưu điểm lớn nhất của nó là hiệu suất nhiệt độ thấp của nó, với tỷ lệ duy trì công suất là 90% ở -20 độ, khiến nó phù hợp với xe điện ở các khu vực lạnh như Bắc Âu. Tuy nhiên, sunfua dễ bị thủy phân và tạo ra khí H, đòi hỏi phải niêm phong cực cao trong môi trường sản xuất.
Các chất điện giải oxit (như oxy oxy llzo lithium lanthanum zirconium) có độ ổn định tốt nhất và có thể chịu được nhiệt độ cao là 800 độ. Samsung đã biến chúng thành các tấm gốm mỏng với độ dày chỉ 50 μ m, đảm bảo cách nhiệt và giảm điện trở bên trong. Tuy nhiên, trở kháng cao và trở kháng giao diện là những thiếu sót của nó. Một nhóm từ một Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã sử dụng công nghệ "thâm nhiễm chất lỏng ion" để tạo thành một lớp đệm giữa chất điện phân và điện cực, giảm 60% trở kháng giao diện và cải thiện hiệu suất tốc độ tế bào thành 3C (tích điện hoàn toàn trong 30 phút).
2 Bước đột phá trong khó khăn sản xuất hàng loạt: Bước nhảy từ phòng thí nghiệm đến dây chuyền sản xuất
Trở kháng giao diện là gót chân của Achilles của các tế bào trạng thái rắn. Sự tiếp xúc giữa các chất điện giải rắn và các điện cực dương và âm chủ yếu là tiếp xúc điểm, dẫn đến khả năng chống lại sự dẫn truyền ion lithium cao. Chìa khóa để giải quyết vấn đề này nằm trong sửa đổi giao diện. LG Năng lượng mới áp dụng công nghệ "lắng đọng lớp nguyên tử" để phát triển lớp chuyển tiếp Li ₂ o dày 5nm trên bề mặt của điện cực dương, làm tăng tốc độ di chuyển ion lithium lên ba lần. "Phương pháp xâm nhập tan chảy" được phát triển bởi các doanh nghiệp trong nước làm nóng chất điện phân đến trạng thái nóng chảy và tiếp xúc với điện cực để tạo thành một giao diện rắn chặt chẽ, dẫn đến tuổi thọ của tế bào pin vượt quá 2000 lần.
Sự đổi mới của công nghệ sản xuất hàng loạt là rất quan trọng. Quá trình hình thành khô của các tế bào pin trạng thái rắn sulfide giúp loại bỏ bước phục hồi dung môi của lớp phủ ướt truyền thống, giảm 40%mức tiêu thụ năng lượng; Công nghệ đúc của các chất điện giải oxit có thể đạt được sản xuất liên tục 10 mét mỗi phút, hiệu quả hơn gấp 10 lần so với sản xuất lô sớm. Dòng thí điểm pin trạng thái rắn của một doanh nghiệp trong nước đã đạt được tỷ lệ năng suất 78%, với chi phí cao hơn 30% so với pin pin lỏng. Nó được dự kiến sẽ giảm xuống cùng mức sau khi sản xuất quy mô lớn vào năm 2027.
3 Triển khai tiên phong trong các lĩnh vực đặc biệt: Các ứng dụng điều khiển bảo mật
Trong lĩnh vực chuyên ngành, pin trạng thái rắn đã thể hiện những lợi thế độc đáo. Pin trạng thái rắn nhiệt độ thấp trong ngành quân sự có tỷ lệ giữ dung lượng xả là 85% ở -40 độ, vượt xa 50% pin truyền thống và có thể đáp ứng nhu cầu cung cấp năng lượng của thiết bị nghiên cứu khoa học cực và máy bay trinh sát độ cao. Pin trạng thái rắn được sử dụng trong các thiết bị y tế có tuổi thọ kéo dài lên tới 10 năm do không có rủi ro rò rỉ điện phân, khiến chúng trở thành một lựa chọn mới cho máy khử rung tim và bơm insulin cấy ghép. Pin cấy ghép có thể cấy ghép của một công ty y tế nhất định sử dụng các tế bào trạng thái rắn oxit, giảm 40%khối lượng của nó và kéo dài chu kỳ mặc quần áo của bệnh nhân từ 1 năm xuống còn 3 năm.
Ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng cũng bắt đầu thử nghiệm vùng biển. Một thương hiệu smartwatch nhất định được trang bị pin pin trạng thái rắn polymer, với độ dày chỉ 2 mm và mật độ năng lượng là 700Wh/L. Tuổi thọ pin đã được kéo dài từ 7 ngày lên 14 ngày và không có nguy cơ hỏa hoạn sau khi vượt qua bài kiểm tra giảm 1,5 mét. Trong lĩnh vực xe trên không không người lái, các đặc tính tốc độ cao của pin trạng thái rắn sulfide đã rút ngắn thời gian sạc nhanh từ 1 giờ xuống 20 phút, cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động.
Sự phát triển của pin lithium trạng thái rắn không chỉ là sự thay thế đơn giản của các chất điện phân, mà còn là một sự đổi mới có hệ thống trong thiết kế, hệ thống vật liệu và quá trình sản xuất của toàn bộ pin pin. Khi công nghệ trưởng thành, nó sẽ xác định lại các tiêu chuẩn an toàn và ranh giới hiệu suất của pin lithium, tiêm động lực mới vào ngành công nghiệp năng lượng mới.