Tăng 50% tuổi thọ pin lithium-ion khi sạc bằng dòng điện cao

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra một cách đáng ngạc nhiên để cải thiện hiệu năng pin

• Vì sao lần sạc đầu tiên của pin lithium-ion lại quan trọng

  • Lần sạc đầu tiên là một quá trình quan trọng quyết định hiệu năng và tuổi thọ của pin
  • Theo nghiên cứu của SLAC-Stanford Battery Center, nếu thực hiện lần sạc đầu tiên với dòng điện cao, tuổi thọ pin tăng 50% và thời gian sạc ban đầu được rút ngắn từ 10 giờ xuống còn 20 phút

• Cải thiện hiệu năng pin bằng machine learning khoa học

  • Nhóm nghiên cứu đã sử dụng machine learning khoa học để tìm ra những thay đổi cụ thể trong điện cực pin
  • Những thay đổi này mang lại các hiểu biết quan trọng giúp nhà sản xuất pin tối ưu quy trình và cải tiến sản phẩm

• Bối cảnh nghiên cứu và sự hợp tác

  • Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác giữa nhóm SLAC/Stanford, Toyota Research Institute (TRI), MIT và University of Washington
  • Là một phần trong nghiên cứu về tính bền vững của SLAC, công trình này góp phần làm cho các công nghệ quan trọng cho chuyển đổi năng lượng trở nên rẻ hơn

• Tác động thực tiễn đối với sản xuất pin

  • Kết quả nghiên cứu có tác động thực tiễn không chỉ với xe điện và lưới điện mà còn với các công nghệ khác
  • Sản xuất pin là một quá trình tiêu tốn nhiều vốn, năng lượng và thời gian, đồng thời rất khó tối ưu
  • Kết quả nghiên cứu đưa ra một cách tiếp cận tổng quát để hiểu và tối ưu một giai đoạn quan trọng trong sản xuất pin

"Lớp nén" là chìa khóa của hiệu năng pin

• Hiểu về các chu kỳ ban đầu của pin

  • Nhóm nghiên cứu đã chế tạo các pouch cell, trong đó cực dương và cực âm được bao quanh bởi dung dịch điện phân
  • Khi pin được sạc, các ion lithium di chuyển về cực âm và được lưu trữ tại đó
  • Khi pin xả, các ion lithium di chuyển về cực dương và làm cho electron chuyển động

• Tầm quan trọng của lớp SEI

  • Trong lần sạc đầu tiên, một phần lithium bị bất hoạt và hình thành lớp SEI (giao diện điện phân rắn)
  • Lớp SEI bảo vệ cực âm, từ đó kéo dài tuổi thọ pin

Dòng sạc cao cải thiện hiệu năng pin

• Vấn đề của phương pháp sạc dòng thấp truyền thống

  • Các nhà sản xuất thường thực hiện lần sạc đầu tiên bằng dòng thấp để hình thành lớp SEI
  • Tuy nhiên, sạc dòng thấp tốn nhiều thời gian và chi phí

• Ưu điểm của sạc dòng cao

  • Nhóm nghiên cứu xác nhận các kết quả gần đây cho thấy sạc dòng cao không làm suy giảm hiệu năng pin
  • Sạc dòng cao làm tăng 50% tuổi thọ pin và nâng tỷ lệ lithium bị bất hoạt ban đầu

• Tối ưu hóa bằng machine learning khoa học

  • Nhóm nghiên cứu đã dùng machine learning khoa học để xác định các yếu tố quan trọng
  • Nhiệt độ và dòng sạc được xác định là hai yếu tố quan trọng nhất

Giới thiệu về SLAC

• SLAC National Accelerator Laboratory
  • SLAC là viện nghiên cứu khám phá các nguyên lý cơ bản của vũ trụ và vật chất, đồng thời phát triển các công cụ mạnh mẽ
  • Dựa trên hơn 60 năm nghiên cứu, SLAC đang mở đường cho tương lai trong nhiều lĩnh vực như công nghệ lượng tử, scientific computing và phát triển máy gia tốc thế hệ tiếp theo

Tóm tắt của GN⁺

• Nghiên cứu này đề xuất cách tối ưu quá trình sạc đầu tiên của pin lithium-ion để tăng 50% tuổi thọ pin
• Bằng cách sử dụng machine learning khoa học, nhóm nghiên cứu xác định được các yếu tố quan trọng và tìm ra điều kiện sạc tối ưu
• Công trình mang lại các hiểu biết quan trọng giúp nhà sản xuất pin cải tiến quy trình và cắt giảm chi phí
• Nghiên cứu này có thể tạo ra tác động thực tiễn không chỉ với xe điện và lưới điện mà còn với các công nghệ khác
• Những sản phẩm có chức năng tương tự bao gồm công nghệ pin của Tesla và các giải pháp pin của Panasonic

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Với kinh nghiệm làm việc trong ngành, tôi hơi hoài nghi về nghiên cứu này. Nếu điều kiện sạc ban đầu khác đi thì có lẽ hiệu năng đã tốt hơn

  • Tôi thắc mắc việc SEI tăng lên làm thay đổi trở kháng của cell bao nhiêu, và ảnh hưởng thế nào đến dung lượng

• Nếu kết quả này được chứng minh trong sản xuất thì đây sẽ là một phát hiện rất thú vị. Một biến số quy trình tiềm ẩn đang được phơi bày rõ ràng

• Tôi từng có thể làm sống lại pin lithium đã xả cạn hoàn toàn bằng cách nối nó với một pin đã sạc đầy trong vài giây

• TLDR: Trong lần sạc "hình thành" ban đầu của pin, một phần lithium bị vô hiệu hóa để tạo thành lớp bảo vệ (SEI) quanh cực âm. Nghiên cứu phát hiện rằng khi dùng dòng sạc ban đầu cao hơn thì 30% trở thành SEI. Điều này làm giảm dung lượng pin, nhưng tăng cường lớp bảo vệ của điện cực và mang lại tuổi thọ tốt hơn qua các chu kỳ sạc

• Nếu lớp SEI tốt là điều quan trọng, tôi tự hỏi liệu có thể tạo sẵn lớp này trên điện cực trước khi lắp ráp pin hay không. Khi đó có lẽ có thể làm cho hình dạng của lớp đồng đều hơn

• Khó hiểu quá... tôi không rõ đây là dự đoán hay đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm

• Một bài báo gần đây phát hiện rằng nếu sạc với dòng điện gấp đôi bằng sóng vuông tần số 2khz thì hiện tượng xuống cấp của pin gần như biến mất

• Tuổi thọ pin là gì? Là suy giảm dung lượng hay là lỗi hỏng ngẫu nhiên?

  • Nếu phát hiện này làm chậm suy giảm dung lượng nhưng lại khiến pin EV có khả năng hỏng tự phát cao hơn 100 lần($$$), thì đây không phải là một cải thiện thực sự. Với thiết bị tiêu dùng thì có thể chấp nhận được

• Có lẽ là đang "đốt" vi cấu trúc để làm cho sự hình thành filament ổn định hơn, giống như cách điện áp cao khắc hoa văn lên gỗ

• TL;DR Dòng điện cao khiến lớp trên cực âm hình thành theo cách khác đi (và dĩ nhiên là nhanh hơn). Trước đây người ta cho rằng sạc ban đầu chậm sẽ tạo hình tốt hơn. Đây là một cải tiến tăng dần trong việc tinh chỉnh quy trình chứ không phải thay đổi căn bản