Tăng 50% tuổi thọ pin lithium-ion khi sạc bằng dòng điện cao
(eurekalert.org)- Khi thay đổi điều kiện sạc lần đầu — bước cuối cùng trong sản xuất pin — tuổi thọ trung bình tăng 50%, còn thời gian sạc ban đầu giảm từ 10 giờ xuống 20 phút
- Đây là quá trình formation tạo lớp bảo vệ SEI trên bề mặt cực âm, có ảnh hưởng lớn đến hiệu năng sạc/xả và tốc độ suy giảm về sau
- Phân tích machine learning khoa học đã thu hẹp các biến số then chốt trong điều kiện sạc lần đầu xuống còn nhiệt độ và dòng điện; sạc dòng cao làm mức lithium bị bất hoạt ban đầu tăng từ khoảng 9% lên khoảng 30%
- Mức mất lithium ban đầu lớn hơn thoạt nhìn có vẻ là bất lợi trong ngắn hạn, nhưng lại tạo khoảng trống dự phòng ở cực dương, giúp quá trình luân chuyển điện cực về sau hiệu quả hơn
- Thực tiễn sản xuất vốn ưu tiên sạc lần đầu bằng dòng thấp có thể được xem xét lại theo hướng tối ưu đồng thời tuổi thọ và hiệu quả sản xuất
Điều kiện sạc lần đầu làm thay đổi tuổi thọ và thời gian sản xuất
- Sạc lần đầu của pin lithium-ion quyết định pin sẽ hoạt động ổn định đến mức nào về sau, và chịu được bao nhiêu chu kỳ sạc/xả trước khi suy giảm
- Trong nghiên cứu đăng trên Joule, các nhà nghiên cứu tại SLAC-Stanford Battery Center xác nhận rằng khi sạc lần đầu cho pin mới bằng dòng điện cao bất thường, tuổi thọ trung bình tăng 50%
- Trong cùng điều kiện, thời gian sạc ban đầu giảm từ 10 giờ truyền thống xuống 20 phút
- Nghiên cứu do nhóm SLAC/Stanford dẫn dắt, với sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Toyota Research Institute(TRI), MIT và University of Washington
Giai đoạn formation tạo lớp bảo vệ SEI
- Nhóm nghiên cứu tạo các pouch cell trong đó cực dương và cực âm được bao quanh bởi dung dịch điện phân, rồi quan sát các thay đổi xảy ra trong những chu kỳ ban đầu
- Khi pin được sạc, ion lithium di chuyển tới cực âm để được lưu trữ; khi xả, chúng quay lại cực dương và tạo ra dòng electron
- Cực dương của pin mới ban đầu được lấp đầy 100% bằng lithium, và khi các chu kỳ sạc/xả lặp lại, một phần lithium bị bất hoạt
- Một phần lượng lithium mất đi ban đầu được dùng để hình thành một lớp mềm gọi là solid electrolyte interphase(SEI) trên bề mặt cực âm
- SEI bảo vệ cực âm khỏi các phản ứng phụ
- Các phản ứng phụ có thể đẩy nhanh thất thoát lithium và làm pin suy giảm nhanh hơn
- Sạc lần đầu là formation, bước cuối cùng của quy trình sản xuất; nếu bước này thất bại, giá trị và công sức đã đưa vào pin trước đó sẽ bị lãng phí
Khác biệt giữa thực tiễn sạc dòng thấp và thử nghiệm dòng cao
- Các nhà sản xuất thường sạc lần đầu cho pin mới bằng dòng điện thấp, với cách tiếp cận nhằm tạo lớp SEI bền chắc nhất
- Sạc dòng thấp tốn nhiều thời gian và chi phí, đồng thời không phải lúc nào cũng dẫn đến kết quả tối ưu
- Các nghiên cứu gần đây cho thấy sạc nhanh bằng dòng điện cao hơn có thể không làm giảm hiệu năng pin, và nghiên cứu lần này phân tích sâu hơn lý do
- Có hàng chục biến số liên quan đến việc hình thành SEI trong lần sạc đầu, nên rất khó thử nghiệm mọi tổ hợp trong phòng thí nghiệm
Machine learning thu hẹp biến số then chốt xuống nhiệt độ và dòng điện
- Nhóm nghiên cứu dùng machine learning khoa học để tìm các biến số quan trọng nhất nhằm tạo ra kết quả tốt
- Trong nhiều biến số, nhiệt độ và dòng sạc được phát hiện là có ảnh hưởng đặc biệt lớn
- Sạc lần đầu bằng dòng cao tạo ra tác động rõ rệt, giúp tăng 50% tuổi thọ trung bình của các pin thử nghiệm
- Điều kiện dòng cao làm tỷ lệ lithium bị bất hoạt ban đầu tăng từ khoảng 9% theo phương pháp truyền thống lên khoảng 30%, nhưng chính thay đổi này lại dẫn tới cải thiện hiệu năng
Cơ chế tổn thất ban đầu lớn giúp tăng hiệu quả về sau
- Việc bất hoạt nhiều ion lithium hơn ở giai đoạn đầu được ví như múc bớt một phần nước khỏi chiếc xô đầy trước khi mang đi
- Giống như khi chiếc xô có thêm khoảng trống thì nước ít bị sóng sánh văng ra trong lúc di chuyển, việc bất hoạt nhiều lithium hơn trong quá trình hình thành SEI tạo khoảng trống dự phòng ở cực dương
- Khoảng trống này giúp các điện cực hoạt động hiệu quả hơn trong các chu kỳ sau và cải thiện hiệu năng tiếp theo
- Thay vì chỉ tìm điều kiện tạo ra pin tốt, cần hiểu điều kiện đó hoạt động như thế nào để dễ áp dụng vào quy trình sản xuất
- Sự hiểu biết này cần thiết để cân bằng lại giữa hiệu năng pin và hiệu quả sản xuất
Khả năng dẫn tới tối ưu hóa quy trình sản xuất
- Sản xuất pin là quy trình tốn nhiều vốn, năng lượng và thời gian; việc vận hành một dây chuyền sản xuất mới cũng mất nhiều thời gian
- Có nhiều biến số quy trình, khiến việc tìm điều kiện tối ưu trở nên khó khăn
- Kết quả lần này đưa ra một cách tiếp cận có thể khái quát hóa để hiểu và tối ưu hóa sạc lần đầu, một bước quan trọng trong sản xuất pin
- Phía TRI đề cập khả năng chuyển giao những gì thu được từ nghiên cứu này sang các quy trình, cơ sở, thiết bị và hệ hóa học pin mới trong tương lai
- Nghiên cứu được tài trợ thông qua chương trình Accelerated Materials Design and Discovery của Toyota Research Institute
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Với tư cách là người từng làm trong ngành một thời gian, tôi hơi hoài nghi về nghiên cứu này. Nếu điều này là thật, thì các nghiên cứu hay thử nghiệm trước đây với điều kiện sạc ban đầu khác hẳn đã cho thấy hiệu năng suy giảm tốt hơn, vì chắc chắn đã có những trường hợp như vậy rồi
Hơn nữa, cũng cần xem lớp giao diện điện phân rắn (SEI) tăng lên làm thay đổi trở kháng của cell đến mức nào, từ đó làm giảm tốc độ sạc sau này và dung lượng khả dụng ra sao
Điều thấy chung ở mọi hệ hóa học lithium-ion và lithium-polymer là: nếu xả sâu xuống dưới 60% thì số chu kỳ sạc khả dụng giảm từ 8000 xuống dưới 2000; xả dòng cao hoặc sạc nhanh làm tăng tốc mất dung lượng khoảng 15% mỗi năm; và đoản mạch do lỗi dendrite làm hỏng cell, đồng thời làm tăng điện trở trong và tỷ lệ tự xả
Nếu kỹ thuật này hiệu quả với mọi hệ hóa học cell thì đó sẽ là một kết quả khá đáng kinh ngạc
https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
Đại ý là “loại bỏ nhiều ion lithium hơn lúc đầu giống như múc bớt một ít nước khỏi cái xô đầy trước khi mang đi. Có thêm khoảng trống thì nước ít bị sóng sánh hơn trong lúc di chuyển. Tương tự, việc làm bất hoạt nhiều ion lithium hơn trong quá trình hình thành SEI tạo ra khoảng trống ở cực dương, giúp điện cực tuần hoàn hiệu quả hơn và cải thiện hiệu năng về sau”, nhưng cách giải thích này trông không thật sự vững chắc
Nếu điều này cũng khớp ở giai đoạn sản xuất thì đúng là một phát hiện tuyệt vời. Hóa ra đó là một biến quy trình nằm ngay trước mắt
Các bài viết nói rằng có thể tăng mạnh tuổi thọ pin bằng những biện pháp đơn giản xuất hiện khá thường xuyên ở khắp nơi, nhưng ngoài những mục đích rất đặc thù thì chúng không được áp dụng thực tế
Thường thì người ta sẽ giữ cùng tuổi thọ nhưng tăng mật độ năng lượng. Cell lithium-ion điện áp cao (điện áp kết thúc sạc trên 4,2V) là một ví dụ: nếu chỉ sạc đến 4,2V thì có lẽ sẽ bền hơn nhiều so với các loại trước, nhưng các nhà sản xuất lại quảng cáo 4,3V, 4,35V, thậm chí 4,4V và nhấn mạnh dung lượng tăng thêm nhờ đó
Tóm lại, trong quá trình sạc hình thành ban đầu của pin, một phần lithium bị bất hoạt và tạo thành lớp giao diện điện phân rắn (SEI), một lớp bảo vệ mềm quanh cực âm
Hiện nay nhà sản xuất thường sạc hình thành chậm, khi đó khoảng 9% lithium biến mất vào SEI. Người ta từng cho rằng phải làm vậy mới tạo được lớp bền chắc, nhưng trong nghiên cứu này, với dòng sạc ban đầu cao hơn, 30% đã trở thành SEI
Nghĩa là xét cùng lượng lithium, pin mất một chút dung lượng, nhưng lớp bảo vệ điện cực dày hơn nên tuổi thọ trong các chu kỳ sạc sau đó được cải thiện
Tôi từng hồi sinh một pin lithium bị xả quá mức đến mức không sạc được bằng cách nối nó với một pin đã sạc đầy trong vài giây
Đúng nghĩa là kiểu “liều ăn nhiều”
Nếu một lớp SEI tốt trên điện cực là quan trọng, liệu có thể phủ sẵn lớp đó lên điện cực trước khi lắp ráp pin không? Như vậy có thể tạo hình thái lớp phủ đồng đều hơn
Tôi hơi bối rối không biết tuổi thọ pin chính xác nghĩa là gì. Là suy giảm dung lượng, hay là hỏng ngẫu nhiên?
Nếu phát hiện này làm chậm suy giảm dung lượng nhưng tăng xác suất pin xe điện đột ngột hỏng lên 100 lần thì về mặt chi phí không phải là cải thiện. Có thể vẫn ổn với thiết bị tiêu dùng
Nếu giữ sạc/xả trong khoảng 80/20, tuổi thọ pin chủ yếu bị giới hạn bởi tuổi thọ lưu kho. Ví dụ, nếu giữ Nissan Leaf trong vùng trạng thái sạc 20~80% thì có lẽ có thể dùng 20 năm, nhưng nếu lần nào cũng sạc nhanh DC lên 100% thì có khả năng chỉ dùng được 2000 chu kỳ, khoảng 5~7 năm
Tôi hơi lẫn lộn: đây chỉ là dự đoán hay đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm?
Tôi nhớ đã thấy trong một bài báo gần đây rằng nếu tăng gấp đôi dòng điện nhưng sạc bằng sóng vuông tần số 2kHz thì sự suy giảm pin gần như biến mất
2021: sạc xung tần số thấp https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
2024: sạc xung tần số cao https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
Tôi chưa có thời gian đọc kỹ lúc này, nhưng đây là một lĩnh vực nghiên cứu khá thú vị
Giống như cách điện cao áp khắc ăn mòn gỗ, có vẻ như nó đốt tạo vi cấu trúc, khiến việc hình thành filament ổn định hơn
Tóm lại, dòng điện cao khiến lớp trên cực âm hình thành hơi khác đi, và dĩ nhiên là nhanh hơn. Trước đây người ta cho rằng sạc ban đầu chậm sẽ tạo quá trình hình thành tốt hơn
Đây giống một cải tiến tăng dần nhờ điều chỉnh quy trình hơn là một phát hiện nền tảng
Tuy nhiên, nhìn theo hướng thuyết âm mưu thì tôi nghĩ nhiều nhà sản xuất điện tử tiêu dùng sẽ không thích điều này. Dung lượng pin giảm có lẽ là một yếu tố lớn thúc đẩy chu kỳ thay thế
Ngày nay, thường sau khoảng 2~3 năm thì dung lượng pin điện thoại bắt đầu suy giảm rõ rệt. Bản thân điện thoại vẫn hoạt động tốt, cũng không thật sự cần tính năng của mẫu mới, và ta biết có thể chỉ thay pin, nhưng đôi khi vẫn nghĩ “thay pin thì thà mua điện thoại mới”
Nếu tuổi thọ pin dài hơn 50%, có lẽ sẽ hiếm khi người ta lấy dung lượng pin giảm làm cái cớ để nâng cấp