Pin LFP được đặc trưng bởi hiệu suất chu kỳ tốt, nhưng hiệu suất tốc độ của chúng kém hơn đáng kể so với pin lithium bậc ba. Do đó, có thể đạt được hiệu suất tốc độ của pin LFP bằng cách tập trung vào cả nguyên liệu thô và thiết kế công thức.
I. Điểm nghẽn trong hiệu suất của Lithium Iron Phosphate
Lithium sắt photphat (LiFePO₄, LFP), là một trong những vật liệu catốt được sử dụng rộng rãi nhất, có hiệu suất tốc độ kém do hai yếu tố chính: Thứ nhất, mạng FeO₆ không liên tục trong cấu trúc olivin dẫn đến độ dẫn điện tử thấp (khoảng 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm); thứ hai, các kênh khuếch tán Li⁺ một chiều hẹp dẫn đến tốc độ khuếch tán ion lithium-chậm (khoảng 10⁻¹⁴~10⁻¹⁶ cm²/s). Nói một cách đơn giản, trong quá trình sạc và xả tốc độ-cao, hiệu suất vận chuyển electron và lithium-ion không thể theo kịp nhu cầu hiện tại, dẫn đến độ phân cực tăng lên và công suất giảm đáng kể.
Phần sau đây phác thảo các chiến lược cải tiến từ vật liệu, điện cực, chất điện phân đến hệ thống thiết kế tổng thể.
II. Chiến lược cải tiến cốt lõi
1. Sửa đổi vật liệu Cathode:
(1) Cấu trúc nano – Rút ngắn khoảng cách truyền:
Việc giảm kích thước của các hạt LFP xuống cấp độ nano có thể rút ngắn đáng kể đường khuếch tán của Li⁺ trong pha rắn, giảm thời gian tích điện và phóng điện. Các vi cầu LFP xốp (được lắp ráp từ các hạt nano) kết hợp hiệu suất tốc độ cao và mật độ năng lượng thể tích cao, khiến chúng trở thành hướng ưu tiên kết hợp giữa tính thực tế và hiệu suất. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vật liệu nano nguyên chất có mật độ nén thấp và thường cần được phân loại bằng các hạt lớn hơn để cân bằng hiệu suất tốc độ và mật độ năng lượng thể tích.
(2) Lớp phủ carbon – Mở kênh điện tử
Phủ đồng đều bề mặt của các hạt LFP bằng một lớp carbon dẫn điện là phương pháp sửa đổi hoàn thiện về mặt thương mại nhất. Lớp carbon có thể làm tăng diện tích bề mặt riêng của các hạt, giảm khoảng cách di chuyển Li⁺ và đồng thời xây dựng mạng dẫn điện. Sự ra đời của các vật liệu cacbon tiên tiến như ống nano cacbon (CNT) và graphene có thể xây dựng một mạng dẫn điện hiệu quả cao từ phối cảnh ba chiều "điểm{2}}đường{3}}bề mặt"{4}}, cải thiện hơn nữa hiệu suất tốc độ. Bằng sáng chế mới nhất của Wanrun New Energy làm giảm điện trở suất của bột và quá trình lọc sắt bằng cách đưa cacbua sắt (0,7% ~ 3,1% theo khối lượng) vào lớp phủ, đạt được sự cải thiện đồng thời về công suất, hiệu suất đạp xe và hiệu suất tốc độ.
(3) Doping ion – Gia tốc từ bên trong mạng tinh thể
Doping Na⁺ tại các vị trí Li có thể gây ra sự giãn nở mạng tinh thể và mở rộng các kênh khuếch tán Li⁺; pha tạp Ti⁴⁺ tại các vị trí Fe có thể cải thiện độ ổn định của mạng và khả năng thuận nghịch. Nhóm nghiên cứu của Lü Wenyan tại Đại học Công nghệ Trùng Khánh đã sử dụng pha tạp tổng hợp Na-Ti cho các LFP được phủ carbon-, đạt được khả năng duy trì công suất 100% và hiệu suất coulombic là 99,54% sau 1000 chu kỳ ở tốc độ cao 5C, chứng tỏ độ ổn định đạp xe ở tốc độ-cao-trong thời gian dài cực kỳ xuất sắc. Bằng sáng chế được cấp phép gần đây của Hunan Yuneng cho "Điều chỉnh nguồn cacbon đa nguyên tố" cũng giúp cải thiện hiệu suất tốc độ và độ ổn định của chu trình thông qua việc ghép siloxane của các khung hữu cơ{11}}kim loại, coban nitrat và biến đổi tổng hợp nitrat đồng.
2. Quy trình thiêu kết nâng cao: Vượt qua tình thế tiến thoái lưỡng nan trong xử lý nhiệt
Quá trình tổng hợp cacbon nhiệt của LFP thường được thực hiện ở nhiệt độ 600-800 độ. Ở nhiệt độ này, lớp carbon thu được có độ kết tinh thấp và độ dẫn điện của nó không đủ cho yêu cầu sạc nhanh. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ dẫn đến hạt bị thô, tác động tiêu cực đến hiệu suất tốc độ. Nhóm do Zhang Mingjian tại Đại học Trung Quốc Hồng Kông (Thâm Quyến) phối hợp với Li Auto dẫn đầu đã phát triển một chiến lược thiêu kết cực nhanh: phơi nhiễm LFP thương mại ở 1000 độ chỉ trong khoảng 10 giây, sau đó làm lạnh nhanh, đồng thời cải thiện độ kết tinh của lớp carbon bề mặt (giảm khuyết tật C{7}}O) và khả năng khuếch tán ion lithium{13}} số lượng lớn (tăng gấp đôi hàm lượng phản chất Fe/Li), đồng thời duy trì kích thước hạt ở cấp độ nano. LFP được sửa đổi cho thấy tốc độ cải thiện hiệu suất hơn 25%, chỉ giảm 9,8% công suất sau 5000 chu kỳ sạc nhanh. Phương pháp này chỉ yêu cầu sửa đổi đơn giản đối với lò nung ống tiêu chuẩn để đạt được quy mô-kg{15}}, cung cấp lộ trình-nâng cấp sau xử lý” chi phí thấp cho vật liệu thương mại.
3. Tối ưu hóa tác nhân dẫn điện: Xây dựng mạng dẫn điện ba chiều-
Các chất dẫn điện khác nhau đóng các vai trò khác nhau trong điện cực: muội than (SP) dẫn điện tạo nên các điểm-như các kết nối phạm vi ngắn-, các ống nano cacbon (CNT) tạo ra các kết nối phạm vi trung bình-tuyến tính và graphene (GN) tạo ra các kết nối phẳng-phạm vi dài. Khi được sử dụng kết hợp, chúng tạo thành một mạng dẫn điện tổng hợp ba chiều gồm "điểm{6}}đường{7}}phẳng", làm giảm đáng kể điện trở điện cực và cải thiện tốc độ pin cũng như hiệu suất chu kỳ. Các chất dẫn điện tổng hợp bậc ba (muối cacbon + CNT + graphene) đã được xác minh là có tác dụng cải thiện hiệu suất động học tốt nhất trong pin lithium sắt photphat.
4. Tối ưu hóa chất điện phân: Tăng tốc pha-chất lỏng tổng hợp
Chất điện phân là môi trường pha lỏng-trong đó Li⁺ di chuyển giữa các điện cực dương và âm. Tối ưu hóa chất điện phân là một phần không thể thiếu trong việc cải thiện hiệu suất tốc độ. Hướng tối ưu hóa bao gồm:
Lithium Salt Selection: LiFSI (lithium bisfluorosulfonylimide) has good thermal stability (>200 độ) và độ dẫn ion cao. Kết hợp nó với LiPF₆ (ví dụ: theo tỷ lệ 3:1) có thể cân bằng giữa chi phí và hiệu suất. Hệ thống dung môi: Dung môi có độ nhớt-thấp (chẳng hạn như DME, MA) có thể tăng tốc độ vận chuyển Li⁺, nhưng phải xem xét đến độ an toàn; việc bổ sung FEC (5% ~ 10%) có thể cải thiện độ bền của màng SEI và ngăn chặn sự hình thành dendrite lithium.
Phụ gia chức năng: VC (ethylene cacbonat, 1% ~ 2%) có thể tạo thành màng SEI dày đặc và giảm trở kháng bề mặt; sự kết hợp giữa LiNO₃ và LiFSI có thể tạo thành Li₃N-ổn định chứa lớp SEI ở điện cực âm. Sử dụng chất điện phân được tối ưu hóa (ethylene cacbonat + dimethyl cacbonat + etyl methyl cacbonat làm dung môi, VC, 1,3-PS, FEC và acetonitril làm chất phụ gia), tỷ lệ duy trì công suất đạt 95,6% sau 900 chu kỳ phóng điện 3C và 87% sau 1000 chu kỳ 6C, cải thiện đáng kể hiệu suất chu trình tốc độ.
5. Thiết kế cấu trúc điện cực: Vận chuyển ion tách rời độ xốp theo độ dốc
Trong các điện cực dày một lớp truyền thống, vật liệu hoạt động gần bộ thu dòng điện khó tham gia vào phản ứng do đường vận chuyển ion quá dài. Bằng cách sử dụng kỹ thuật phủ-lớp kép, chất tạo lỗ-(chẳng hạn như ammonium bicarbonate) được đưa vào lớp phủ điện cực nằm cách xa bộ thu dòng, tạo nên cấu trúc lỗ gradient với độ xốp tăng dần từ bộ thu dòng đến bề mặt điện cực. Các thí nghiệm cho thấy rằng điện cực dày lớp-lớp gradient (77,3 μm) vẫn duy trì công suất phóng điện cụ thể là 40 mAh/g ở tốc độ 5C ở nhiệt độ phòng, trong khi điện cực lớp-đơn có cùng mật độ diện tích có công suất phóng điện riêng 5C là 0. Cấu trúc lỗ gradient thúc đẩy quá trình làm ướt chất điện phân đủ và vận chuyển ion nhanh chóng trong điện cực dày, trong khi mật độ nén cao (Lớn hơn hoặc bằng 2,6 g/cm³) sẽ giúp ích giảm sức đề kháng nội bộ và cải thiện hơn nữa hiệu suất tốc độ.
Về chúng tôi
Acey thông minhchuyên về R&D và sản xuất thiết bị pin lithium{1}}ion cao cấp. Chúng tôi cung cấp các giải pháp-một cửa tích hợp cho cả dây chuyền sản xuất pin (hình trụ, đồng xu và túi) cũng như dây chuyền lắp ráp bộ pin. Đối với những người mới tham gia vào ngành pin lithium{5}}ion muốn thiết lập dây chuyền lắp ráp pin hoặc gói của riêng mình, chúng tôi cung cấp hướng dẫn và hỗ trợ kỹ thuật chuyên nghiệp. Xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.