Mặc dù các kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để giải quyết các vấn đề an toàn trong pin lithium-ion, nhưng vẫn chưa xác định được các cơ chế gây ra các mối nguy hiểm, để lại những thách thức trong việc phát triển các hệ thống lithium-ion đáng tin cậy. Trong bản thảo này, một mối nguy hiểm không thể đoán trước bắt nguồn từ sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp từ cực âm và sự lắng đọng của chúng trên cực dương được trình bày. Các cực âm trong pin lithium-ion hiện đang được thương mại hóa có chứa các ion kim loại chuyển tiếp, có thể hòa tan trong chất điện phân, vận chuyển qua các chất phân tách và lắng đọng trên cực dương. Khi quá trình lắng đọng diễn ra ở dạng kim loại, các kim loại chuyển tiếp lắng đọng có thể gây ra mối nguy hiểm do sự phát triển dendrite liti trên chúng. Do quá trình phân hủy chất điện phân thường đi kèm với sự lắng đọng kim loại chuyển tiếp với khả năng các sản phẩm phân hủy chất điện phân có thể bao phủ các kim loại lắng đọng nên nguy cơ gây ra trở nên khó lường.
Trong pin lithium-ion hiện đang được thương mại hóa, cực âm chứa các ion kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như ion sắt trong LiFePO4, ion coban trong LiCoO2, ion mangan trong LiMn2O4 và các ion niken, coban và mangan trong LiNixCoyMnzO2 (x + y + z = 1). Sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp từ cực âm vào chất điện phân là không thể tránh khỏi trong quá trình sạc/xả hoặc lưu trữ pin lithium ion, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ và điện áp di động tăng cao. Các ion kim loại chuyển tiếp hòa tan (Mn+) có thể gây ra nhiều tác động khác nhau đối với hiệu suất của pin. Đặc biệt, Mn+ có thể vận chuyển qua các dải phân cách và lắng đọng trên cực dương, như thể hiện trong Hình 1. Ngay cả trong pin lithium-ion tuần hoàn dựa trên cực âm LiFePO4, có cấu trúc tinh thể ổn định và hoạt động ở điện áp thấp, vẫn có thể phát hiện một lượng lớn sắt trên cực dương than chì từ ô đã sử dụng. Nếu quá trình lắng đọng diễn ra trong quá trình khử và các kim loại chuyển tiếp (M trong Hình 1) có mặt trên cực dương, thì sự phát triển dendrite lithium sẽ diễn ra trên các kim loại chuyển tiếp, dẫn đến đoản mạch bên trong và gây nguy hiểm cho pin lithium-ion . Vì quá trình phân hủy chất điện phân thường đi kèm với sự lắng đọng kim loại chuyển tiếp, nên các sản phẩm phân hủy chất điện phân có thể bao phủ các kim loại chuyển tiếp lắng đọng, điều này làm cho nguy cơ gây ra trở nên khó lường: các kim loại chuyển tiếp lắng đọng có sẵn cho sự phát triển của dendrite lithium khi nào và ở đâu. Để tránh mối nguy hiểm khó lường này, cần phải loại bỏ sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp và sự lắng đọng của chúng trên cực dương.
Hình 1. Sơ đồ minh họa sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp từ cực âm, sự lắng đọng của chúng dưới dạng kim loại trên cực dương và sự phát triển dendrite lithium khó đoán trên kim loại.
Đã có nhiều chiến lược khác nhau để ngăn chặn sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp từ cực âm của pin lithium-ion và sự lắng đọng của chúng trên cực dương. Để giải quyết vấn đề hòa tan ion kim loại chuyển tiếp, việc xem xét đầu tiên là ổn định cấu trúc của vật liệu catốt. Việc xem xét này bao gồm pha tạp các nguyên tố khác vào mạng tinh thể, phát triển các hạt nano, xây dựng các cấu trúc xốp,10,38–41 và phát triển các mặt phẳng tinh thể điển hình. Tương tự, liên kết các hạt vật liệu với polyme cũng có thể cải thiện tính ổn định cấu trúc của catốt. Cho dù làm thế nào để ổn định cấu trúc của vật liệu catốt, các ion kim loại chuyển tiếp có thể hòa tan khỏi vật liệu catốt, bởi vì sự tấn công của HF từ chất điện phân là không thể tránh khỏi.
Hình 2. Chất phụ gia điện phân có thể phối hợp với các ion kim loại chuyển tiếp và ngăn chúng lắng đọng dưới dạng kim loại trên cực dương.
Các ion kim loại chuyển tiếp có trong cực âm của pin lithium-ion có thể hòa tan từ cực âm vào chất điện phân, vận chuyển qua các chất phân tách và lắng đọng trên cực dương. Khi sự lắng đọng của các ion kim loại chuyển tiếp diễn ra ở dạng kim loại, các kim loại chuyển tiếp lắng đọng cung cấp các vị trí hoạt động cho sự phát triển của dendrite lithium, tạo ra mối nguy hiểm cho pin lithium-ion. Do sự lắng đọng của các ion kim loại chuyển tiếp đi kèm với quá trình phân hủy chất điện phân nên các sản phẩm phân hủy chất điện phân tạo thành có thể bao phủ các kim loại lắng đọng và mối nguy hiểm này là không thể đoán trước. Do đó, cần phải loại bỏ sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp từ cực âm hoặc sự lắng đọng của chúng trên cực dương dưới dạng kim loại. Việc xem xét đầu tiên là chế tạo các cực âm có cấu trúc tinh thể ổn định. Sự hòa tan của các ion kim loại chuyển tiếp có liên quan đến sự có mặt của HF trong chất điện phân, kết quả chủ yếu là do vị trí phân hủy oxy hóa nhiệt và điện hóa của muối LiPF6 trong chất điện phân. Do đó, một số chiến lược đã được phát triển để tách catốt khỏi tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân hoặc ức chế sự hình thành HF. Vì
tách, các chiến lược có thể là phủ lên catốt bằng các hợp chất trơ và xây dựng các sợi fifilm xen kẽ catốt bảo vệ bằng các chất phụ gia điện phân. Để ức chế, các muối ổn định hơn LiPF6 và các chất phụ gia có thể phối hợp với HF hoặc các loài khác từ quá trình phân hủy LiPF6 có thể hiệu quả. Mặt khác, có thể tránh được sự lắng đọng của các ion kim loại chuyển tiếp trên cực dương ở dạng kim loại bằng cách phối hợp các ion kim loại chuyển tiếp với các chất phụ gia điện phân và cách ly các ion kim loại chuyển tiếp khỏi cực dương bằng các dải phân cách được sửa đổi cho phép vận chuyển các ion lithium nhưng ngăn chặn sự xâm nhập của các ion kim loại chuyển tiếp.
Hình 3. Thiết bị phân tách có thể điều chỉnh quá trình vận chuyển ion lithium
và các ion kim loại chuyển tiếp.
Trong tương lai, JUNLEE Energy, công ty đã cam kết nghiên cứu và phát triển pin, là một thách thức và một cơ hội. Đội ngũ kỹ sư R&D sẽ cung cấp cho thế giới loại pin năng lượng mới tiết kiệm hơn và sẽ cải tiến công nghệ pin lithium-ion để giảm tổng chi phí.
Tập đoàn JUNLEE là một nhà máy năng lượng tích hợp đầy đủ năng lượng, chuyên cung cấp Bộ lưu điện liên tục (UPS), Ắc quy axit-chì, Bộ ắc quy, Ắc quy xe điện, Ắc quy lưu trữ năng lượng, Nhà máy lưu trữ năng lượng, ắc quy Power pack Gel, Biến tần PV và Hệ thống năng lượng mặt trời.
Năng lực sản xuất đạt 200000 KVAH mỗi tháng. Sản phẩm áp dụng cho Xe điện, di động điện, hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời và gió, UPS, điện dự phòng, viễn thông, thiết bị y tế và chiếu sáng.
JUNLEE thành lập "Trung tâm nghiên cứu năng lượng" với nhiều sản phẩm Công nghệ cao hơn. Hơn 100 kỹ sư đã cung cấp các giải pháp một cửa kịp thời và hiệu quả.
Sứ mệnh của họ là phấn đấu mang lại nguồn năng lượng xanh cho thế giới.
Để tìm hiểu thêm về pin Li-ion, vui lòng tham khảo https://www.junleepower.com/