NộI Dung

• Tiết kiệm không gian
• Tuổi thọ dài hơn
• Các loại chất điện phân trạng thái rắn
• Pin màng mỏng
• Pin lớn hơn, cồng kềnh hơn
• Độ dẫn điện cao
• Gói lại

Một vài tuần trước, Kris đã giới thiệu cho chúng tôi chủ đề về pin trạng thái rắn và làm thế nào chúng có thể là bước tiến lớn tiếp theo trong công nghệ pin điện thoại thông minh. Tóm lại, pin trạng thái rắn an toàn hơn, có thể đóng gói nhiều nước hơn và có thể được sử dụng cho các thiết bị thậm chí mỏng hơn. Thật không may, họ rất tốn kém khi đưa vào các tế bào điện thoại thông minh cỡ trung bình ngay bây giờ, nhưng điều đó có thể thay đổi trong những năm tới.

Vì vậy, nếu bạn đã tự hỏi chính xác pin trạng thái rắn là gì và nó khác với các pin lithium-ion ngày nay như thế nào, hãy đọc tiếp.

Sự khác biệt chính giữa pin lithium-ion thường được sử dụng và pin trạng thái rắn là trước đây sử dụng dung dịch điện phân lỏng để điều chỉnh dòng điện, trong khi pin trạng thái rắn chọn chất điện phân rắn. Một chất điện phân pin pin là một hỗn hợp hóa học dẫn điện cho phép dòng điện chạy giữa cực dương và cực âm.

Pin trạng thái rắn vẫn hoạt động giống như pin hiện tại, nhưng sự thay đổi trong vật liệu làm thay đổi một số thuộc tính của pin, bao gồm dung lượng lưu trữ tối đa, thời gian sạc, kích thước và an toàn.

Dòng điện bên trong pin đi qua giữa cực dương và cực âm thông qua chất điện phân dẫn điện, trong khi các thiết bị phân tách được sử dụng để ngăn ngừa đoản mạch.

Tiết kiệm không gian

Lợi ích trước mắt của việc chuyển đổi từ chất lỏng sang chất điện phân rắn là mật độ năng lượng của pin có thể tăng lên. Điều này là do thay vì yêu cầu các dải phân cách lớn giữa các tế bào chất lỏng, pin trạng thái rắn chỉ yêu cầu các rào cản rất mỏng để ngăn ngừa đoản mạch.

Pin thể rắn có thể đóng gói năng lượng gấp đôi so với Li-ion

Bộ tách pin ngâm chất lỏng thông thường có độ dày 20-30 micron. Công nghệ trạng thái rắn có thể giảm các dải phân cách xuống còn 3-4 micron, mỗi lần tiết kiệm không gian gấp 7 lần chỉ bằng cách chuyển đổi vật liệu.

Tuy nhiên, các bộ phân tách này không phải là thành phần duy nhất bên trong pin và các bit khác có thể thu nhỏ lại, đặt giới hạn cho tiềm năng tiết kiệm không gian của pin trạng thái rắn.

Mặc dù vậy, pin trạng thái rắn có thể chứa năng lượng gấp đôi so với Li-ion, khi thay thế cực dương bằng một giải pháp thay thế nhỏ hơn.

Tuổi thọ dài hơn

Các chất điện giải ở trạng thái rắn thường ít phản ứng hơn so với chất lỏng hoặc gel ngày nay, vì vậy chúng có thể được dự kiến ​​sẽ tồn tại lâu hơn rất nhiều và giành được nhu cầu thay thế chỉ sau 2 hoặc 3 năm. Điều này cũng có nghĩa là những pin này đã nổ tung hoặc bắt lửa nếu chúng bị hỏng hoặc bị lỗi sản xuất, nghĩa là sản phẩm an toàn hơn cho người tiêu dùng.

Pin trạng thái rắn sẽ không phát nổ hoặc bắt lửa nếu chúng bị hỏng hoặc bị lỗi sản xuất.

Trong các điện thoại thông minh hiện tại, pin có thể thay thế thường được tìm kiếm cho những người muốn sử dụng cùng một điện thoại trong nhiều năm, vì chúng có thể bị tráo đổi khi chúng bắt đầu bị hỏng.

Pin điện thoại thông minh thường không sạc được sau một năm hoặc thậm chí có thể khiến phần cứng trở nên không ổn định, thiết lập lại hoặc thậm chí ngừng hoạt động sau vài năm sử dụng. Với pin trạng thái rắn, điện thoại thông minh và các thiết bị khác có thể tồn tại lâu hơn rất nhiều mà không cần một tế bào thay thế.

Có rất nhiều hợp chất hóa học rắn có thể được sử dụng trong pin, không chỉ một.

Nói về chất lỏng so với pin rắn là sự đơn giản hóa đối tượng, vì có rất nhiều hợp chất hóa học rắn có thể được sử dụng trong pin, không chỉ một.

Các loại chất điện phân trạng thái rắn

Có tám loại pin trạng thái rắn khác nhau, mỗi loại sử dụng các vật liệu khác nhau cho chất điện phân. Đó là Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, giống như NASICON, Garnet, Argyrodite, LiPON và giống như LISICON.

Khi chúng tôi vẫn đang tiếp xúc với một công nghệ mới nổi, các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu các loại chất điện phân trạng thái tốt nhất để sử dụng cho các loại sản phẩm khác nhau. Chưa có ai trở thành nhà lãnh đạo rõ ràng, nhưng các tế bào LiPON và Garnet dựa trên sulfide hiện đang được xem là hứa hẹn nhất.

Bạn có thể nhận thấy rằng nhiều loại trong số này vẫn là lithium (Li) dựa trên một số vấn đề, bởi vì chúng vẫn đang sử dụng điện cực lithium. Nhưng nhiều người đang lựa chọn vật liệu điện cực cực dương và cực âm mới để cải thiện hiệu suất.

Pin màng mỏng

Ngay cả trong các loại pin trạng thái rắn, có hai loại phụ rõ ràng - màng mỏng và số lượng lớn. Một trong những loại màng mỏng thành công nhất đã có mặt trên thị trường là LiPON, phần lớn các nhà sản xuất sản xuất với cực dương lithium.

Chất điện phân LiPON cung cấp các thuộc tính trọng lượng, độ dày và thậm chí linh hoạt tuyệt vời, làm cho nó trở thành một loại tế bào đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử có thể đeo được và các thiết bị cần có các tế bào nhỏ. Quay trở lại chủ đề của các tế bào kéo dài hơn, LiPON cũng đã chứng minh sự ổn định tuyệt vời với chỉ giảm 5% công suất sau 40.000 chu kỳ sạc.

Pin LiPON có thể tồn tại lâu hơn từ 40 đến 130 lần so với pin Li-ion trước khi chúng cần thay thế.

Để so sánh, pin lithium-ion chỉ cung cấp từ 300 đến 1000 chu kỳ trước khi cho thấy sự sụt giảm công suất tương tự hoặc lớn hơn. Điều này có nghĩa là pin LiPON có thể tồn tại lâu hơn từ 40 đến 130 lần so với pin Li-ion trước khi chúng cần thay thế.

Nhược điểm của LiPON sườn là tổng dung lượng lưu trữ năng lượng và độ dẫn của nó khá kém khi so sánh. Tuy nhiên, các công nghệ pin trạng thái rắn thay thế có thể là chìa khóa để mang lại thời lượng pin dài hơn cho các smartwatch, hiện đang khiến một số khách hàng không thể đeo được.

Pin lớn hơn, cồng kềnh hơn

Cho đến nay, pin trạng thái rắn vẫn chưa phù hợp với các tế bào lớn hơn được tìm thấy trong điện thoại thông minh và máy tính bảng, chứ đừng nói đến máy tính xách tay hoặc xe điện. Đối với pin thể rắn số lượng lớn lớn hơn có công suất lớn hơn, độ dẫn điện vượt trội gần hoặc phù hợp với chất điện phân lỏng là bắt buộc, loại trừ các công nghệ hứa hẹn khác như LiPON. Sự dẫn ion đo khả năng của các ion di chuyển qua vật liệu và dẫn truyền tốt là yêu cầu của các tế bào lớn hơn để đảm bảo dòng điện yêu cầu.

LISICON và LiPS đã vượt qua nghiên cứu về pin LiPO, LiS và SiS, những nhà lãnh đạo trước đây trong lĩnh vực trạng thái rắn. Tuy nhiên, các loại này vẫn chịu độ dẫn thấp hơn so với chất điện phân hữu cơ và lỏng ở nhiệt độ phòng, khiến chúng không thực tế cho các sản phẩm thương mại.

Độ dẫn điện cao

Đây là nơi nghiên cứu về chất điện phân garnet-oxide (LLZO), vì nó tự hào có độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng.

Vật liệu này đạt được một sự dẫn điện chỉ chậm hơn một chút so với kết quả được cung cấp bởi các tế bào lithium-ion lỏng, và các nghiên cứu mới về LGPS cho thấy rằng vật liệu này thậm chí có thể phù hợp với nó.

Điều này có nghĩa là pin trạng thái rắn có công suất và dung lượng tương đương như các tế bào Li-ion ngày nay, trong khi thấy các lợi ích như giảm kích thước và tuổi thọ dài hơn trở thành hiện thực.

Garnet cũng ổn định trong không khí và nước, làm cho nó phù hợp với pin Li-Air. Thật không may, nó phải được chế tạo bằng cách sử dụng một quá trình thiêu kết đắt tiền.

Điều này hiện làm cho nó trở thành một đề xuất không hấp dẫn để sử dụng trong pin tiêu dùng khi so sánh với chi phí thấp của các tế bào lithium-ion. Trong tương lai, chi phí có thể sẽ giảm khi các kỹ thuật sản xuất được cải tiến nhưng chúng ta vẫn còn cách một loại pin trạng thái rắn thương mại.

Gói lại

Rõ ràng vẫn còn rất nhiều nghiên cứu liên tục về công nghệ pin thể rắn. Theo dự đoán sớm nhất, chúng tôi sẽ không thấy các tế bào trưởng thành xâm nhập vào các sản phẩm tiêu dùng như điện thoại thông minh trong 4 hoặc 5 năm nữa. Pin trạng thái rắn trong các thiết bị khác (như máy bay không người lái) có thể xuất hiện ngay sau năm tới.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất cuối cùng đã tạo ra kết quả có thể cạnh tranh với pin li-ion hiện tại về các thuộc tính, đồng thời cung cấp các lợi ích của chất điện phân trạng thái rắn. Tất cả những gì chúng ta cần là cho các quy trình sản xuất trưởng thành, và có một số nhà sản xuất pin lớn và sắp tới có tài nguyên để biến điều này thành hiện thực.

Tóm lại, lợi ích chính của tất cả những khác biệt hóa học này từ góc độ người tiêu dùng là: sạc nhanh hơn tới 6 lần, mật độ năng lượng gấp đôi, tuổi thọ dài hơn tới 10 năm so với 2 và không có thành phần dễ cháy. Đó chắc chắn sẽ là một lợi ích cho điện thoại thông minh và các thiết bị cầm tay khác.