Vật liệu bột trong pin lithium — Bạn có biết loại nào không?

Pin Lithium chủ yếu bao gồm cực dương, cực âm, lớp ngăn cách, chất điện phân, chất kết dính, chất dẫn điện, bộ thu dòng điện và vật liệu đóng gói. Theo phân loại hình dạng vật liệu, cực dương, cực âm, chất kết dính và chất dẫn điện được phân loại như sau: vật liệu bột trong pin Lithium. Một số chất điện phân thể rắn là vật liệu dạng bột và một số chất phân tách được cải tiến cũng chứa vật liệu dạng bột.

Điện cực dương

Vật liệu điện cực dương được thương mại hóa bao gồm Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) và Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4).

Liti Coban Oxit (LiCoO2): Một chất rắn màu đen ở nhiệt độ phòng. Đây là một hợp chất vô cơ được biết đến với tính ổn định, tổng hợp đơn giản, hiệu suất điện hóa cao và tuổi thọ dài. Đây là vật liệu catốt thương mại đầu tiên thành công cho pin lithium-ion và chủ yếu được sử dụng trong pin 3C.
Liti Mangan Oxit (LiMn2O4): Bột màu đen xám với cấu trúc tinh thể spinel hình khối. Nó chứa ba kênh vận chuyển ion lithium, cho phép khuếch tán ion nhanh hơn. Điều này làm cho nó phù hợp với pin lithium-ion sạc tốc độ cao.
Vật liệu dương ba phần (LiNixMnyCozO2): Vật liệu catốt ba thành phần, trong đó Ni và Mn thay thế một phần Co trong LiCoO2. Nó kế thừa tính ổn định của LiCoO2, khả năng đảo ngược cao của LiNiO2 và tính an toàn của LiMnO2. Hàm lượng Co thấp hơn giúp giảm chi phí, khiến nó trở thành một vật liệu catốt đầy hứa hẹn.
Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4): Với cấu trúc olivin, pin không chứa các nguyên tố đắt tiền như Co hay Ni. Pin có giá thành hợp lý, nguyên liệu thô dồi dào. Pin có điện áp làm việc trung bình (3,2V), dung lượng riêng cao (170 mAh/g), công suất xả lớn, khả năng sạc nhanh và tuổi thọ dài.

Điện cực âm

Vật liệu điện cực âm phổ biến bao gồm than chì, carbon cứng, carbon mềm, lithium titanate và vật liệu gốc silicon. Than chì được sử dụng rộng rãi nhất và vật liệu gốc silicon có tiềm năng nhất.

Than chì: Chủ yếu được cấu tạo từ than chì, có độ dẫn điện cao, mật độ năng lượng, hóa chất Độ ổn định và chi phí sản xuất thấp. Có sẵn ở dạng tự nhiên và nhân tạo.
Cacbon cứng: Đây là loại carbon không bị biến dạng ở nhiệt độ cao. Nó có cấu trúc tinh thể bên trong không đồng nhất và khoảng cách giữa các lớp lớn, cho phép lưu trữ điện tích nhiều hơn, giúp tăng mật độ năng lượng và tuổi thọ pin.
Carbon mềm: Vật liệu này dễ dàng được than hóa ở nhiệt độ trên 2500°C. Nó có độ trật tự cao và cung cấp điện áp sạc/xả thấp, ổn định. Nó có dung lượng lớn, hiệu suất cao và hiệu suất tuần hoàn tốt. Cấu trúc của nó phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu kết. Vật liệu cacbon mềm được chế tạo ở nhiệt độ dưới 1000°C có nhiều khuyết tật, cung cấp một số lượng lớn các vị trí hoạt động để lưu trữ lithium, thuận lợi cho việc đưa vào và chiết xuất các ion lithium một cách trơn tru.
Liti Titanat: Bột màu trắng với điện áp chiết ion lithium cao (1,55V so với Li/Li+). Nó có độ an toàn cao và đặc tính “không biến dạng”, đảm bảo thay đổi cấu trúc tối thiểu trong quá trình đưa và chiết ion lithium. Điều này mang lại tuổi thọ lý thuyết không giới hạn. Do đó, nó có giá trị nghiên cứu và triển vọng ứng dụng thương mại lớn như một vật liệu điện cực âm cho lưu trữ năng lượng và pin lithium.
Vật liệu gốc silicon: Bao gồm nano-silicon và silicon suboxide. Những vật liệu này được sử dụng cho anode silicon-carbon hoặc silicon-oxide. Anode gốc silicon có dung lượng riêng và mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với vật liệu gốc carbon, khiến chúng trở thành vật liệu anode thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn.

Chất kết dính

Các chất kết dính như Polyvinylidene Fluoride (PVDF) và Cao su Styrene-Butadiene (SBR) được sử dụng. PVDF có thể được sử dụng cho cả cực dương và cực âm, trong khi SBR thường được sử dụng cho cực dương.

Polyvinylidene Fluoride (PVDF): PVDF có độ ổn định hóa học và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Nó chống lại hiệu quả tác động ăn mòn của dung môi điện phân. Nó cũng có đặc tính liên kết tốt, hiệu suất cơ học và khả năng gia công. Tính linh hoạt của PVDF đảm bảo các hoạt chất không bị tách ra trong quá trình giãn nở và co lại.
Cao su Styrene-Butadiene (SBR): SBR được sử dụng rộng rãi như chất kết dính gốc nước, đặc biệt là trong chất kết dính anode, nơi ứng dụng của nó chiếm 98%. Nó có độ bám dính mạnh, độ ổn định cơ học và dễ vận hành. Nó giúp liên kết các hạt với nhau và cải thiện động lực học của pin, giảm trở kháng và cải thiện độ ổn định chu kỳ.

Chất dẫn điện

Các chất dẫn điện được sử dụng để đảm bảo hiệu suất sạc/xả tốt bằng cách thu thập các dòng điện vi mô và dẫn chúng đến bộ thu dòng điện (lá nhôm hoặc lá đồng). Các chất dẫn điện phổ biến bao gồm muội than, sợi carbon nuôi bằng hơi nước (VGCF) và ống nano carbon (CNT).
Muội than: Một loại cacbon vô định hình, dạng bột mịn, màu đen. Nó được tạo ra bằng cách đốt cháy không hoàn toàn các chất hữu cơ và xử lý ở nhiệt độ cao để cải thiện độ dẫn điện và độ tinh khiết. Đây là chất dẫn điện được sử dụng phổ biến nhất trong pin lithium, giúp cải thiện tiếp xúc giữa các hạt và hình thành mạng lưới dẫn điện.
Sợi carbon nuôi cấy bằng hơi nước (VGCF): Các sợi này có mô đun uốn cao và độ giãn nở nhiệt thấp. Việc bổ sung VGCF giúp cải thiện độ linh hoạt và độ ổn định cơ học, phù hợp với các loại pin có tuổi thọ cao, công suất lớn như pin được sử dụng trong xe điện.
Ống nano cacbon (CNT): Trở kháng của CNT chỉ bằng một nửa so với than đen. Trở kháng thấp mang lại độ dẫn điện tốt, cải thiện độ phân cực và làm cho hiệu suất chu kỳ tốt hơn. Lượng than đen được thêm vào chiếm khoảng 3% trọng lượng vật liệu điện cực dương, trong khi lượng CNT được thêm vào chỉ từ 0,8% đến 1,5%. Lượng bổ sung thấp có thể tiết kiệm không gian cho vật liệu hoạt tính, do đó làm tăng mật độ năng lượng. Tuy nhiên, CNT không dễ phân tán. Hiện nay, ngành công nghiệp thường sử dụng phương pháp cắt tốc độ cao, thêm chất phân tán và hạt mài siêu mịn để phân tán tĩnh điện.

Chất điện phân thể rắn

Một số chất điện phân thể rắn cũng có dạng bột:

Germanium Disulfide (GeS2) có độ tinh khiết cao: Bột màu trắng có độ dẫn ion cao, độ ổn định hóa học và tuổi thọ cao. Độ tinh khiết có thể đạt 99,99%.
Liti Lanthanum Zirconium Oxide (LLZO): Vật liệu này có độ dẫn ion tuyệt vời (1,5×10-4S/cm) và được sử dụng để chế tạo pin lithium thể rắn. Nó có thể được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, đốt ở nhiệt độ thấp, vi nhũ tương và các phương pháp khác.
Oxit Liti Lanthanum Zirconium Tantalum (LLZTO): Nó có độ dẫn ion, độ ổn định hóa học và độ ổn định nhiệt cao. Bằng cách tối ưu hóa quy trình chế tạo và cấu trúc tinh thể, các đặc tính điện của nó có thể được cải thiện hơn nữa để đáp ứng nhu cầu của pin thể rắn hiệu suất cao.

Các loại bột điện phân thể rắn khác bao gồm bari sulfat, liti photpho lưu huỳnh clorua (sulfua có độ ổn định cao) và liti germani photpho lưu huỳnh sulfat.

Bộ tách pin

Các máy tách thông thường có độ ổn định kém ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến an toàn. Để cải thiện độ an toàn, các máy tách được cải tiến bằng cách thêm lớp phủ bột. Các máy tách cải tiến này chứa vật liệu dạng bột.

Nhôm oxit (Al2O3)：Nhôm oxit có nhiều trong tự nhiên, có độ trơ hóa học, độ ổn định nhiệt và tính chất cơ học tuyệt vời. Nó thường được sử dụng trong các bộ tách gốm để cải thiện hiệu suất tổng thể của bộ tách polyolefin. Nó cũng là bột vô cơ được sử dụng để cải tiến màng ngăn pin lithium với số lượng lớn.
Boehmite (AlOOH): Boehmite, còn được gọi là nhôm oxit ngậm nước, là một loại nhôm oxit có nước tinh thể. Nó là tiền chất nhôm oxit không thể thay thế. Việc sản xuất AlOOH dễ dàng hơn α-Al2O3. Trong công nghiệp, bùn boehmite được sản xuất bằng phương pháp thủy nhiệt gibbsite, sau đó thu được bột AlOOH siêu mịn bằng cách lọc, sấy khô và nghiền.
Titan Dioxit (TiO2): TiO2 không độc hại, ổn định và dễ kiểm soát trong quá trình điều chế. Nó tăng cường độ ổn định nhiệt của bộ tách, khả năng thấm ướt chất điện phân và giảm trở kháng giao diện, do đó cải thiện khả năng vận chuyển ion lithium. Đây là vật liệu tốt để biến tính các bộ tách polyme hữu cơ.
Silic Dioxit (SiO2): SiO2 là chất độn vô cơ phổ biến được sử dụng để biến tính polyme. Diện tích bề mặt lớn và nhóm hydroxyl (Si-OH) của nó giúp cải thiện khả năng thấm ướt của chất phân tách, tăng cường vận chuyển ion lithium và cải thiện hiệu suất điện hóa. SiO2 cũng tăng cường độ bền cơ học của chất phân tách và ngăn chặn sự phát triển của dendrite, giảm thiểu hiện tượng đoản mạch nhiệt. Không giống như Al2O3, TiO2 và AlOOH, SiO2 dễ kiểm soát và biến tính hơn.

Bột Epic

Epic Powder chuyên cung cấp các giải pháp nghiền tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất vật liệu bột trong pin lithium. Với các thiết bị hiện đại như máy nghiền phản lực, máy nghiền bi và máy phân loại khí, chúng tôi đảm bảo kiểm soát chính xác kích thước hạt và phân phối, tối ưu hóa hiệu suất của các vật liệu pin quan trọng như catốt, anode và chất dẫn điện. Công nghệ tiên tiến của chúng tôi không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất pin mà còn hỗ trợ phát triển pin thể rắn hiệu suất cao thế hệ tiếp theo. Hợp tác với Epic Powder đồng nghĩa với việc khai phá tiềm năng của vật liệu bột trong pin lithium, mang đến các giải pháp lưu trữ năng lượng vượt trội.