Chúng ta đang sống trong thời đại của sự di động; con người ngày càng ít sử dụng dây điện để cấp nguồn cho các thiết bị nói chung và thiết bị điện tử tiêu dùng nói riêng (máy tính xách tay, điện thoại di động, bàn chải đánh răng, đèn pin, v.v.). Chúng ta cũng đang sống trong thời đại 'di động điện tử' và điện khí hóa. Xe điện (Electric vehicles - EVs) là phương tiện di chuyển thay thế rất được mong đợi cho một tương lai xanh và nói không với khí thải.
Ứng dụng của pin ở hiện tại và tương lai
Sự đổi mới về pin được thúc đẩy đáng kể bởi sự phát triển của pin dành cho xe điện, loại pin này phải có tuổi thọ cao, an toàn, sạc nhanh và tất nhiên là cung cấp đủ khoảng cách di chuyển giữa các lần sạc. Xe điện không chỉ bao gồm ô tô mà còn cả xe đạp, xe tay ga, xe buýt, xe tải (hạng nhẹ và trung bình) và thuyền. Các dự án chế tạo máy bay điện cũng đang được tiến hành.
Bên cạnh tính di động, pin là chìa khóa để lưu trữ năng lượng. Chúng mở ra con đường khai thác các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, sinh khối, thủy triều và địa nhiệt). Chi phí lưu trữ pin quy mô lớn ở Mỹ đã giảm 70% (từ 2.152 USD/kWh xuống còn 625 USD/kWh) từ năm 2015 đến 2018 (US Energy Information Administration - Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ). Con số này dự kiến sẽ giảm xuống thấp hơn nữa (45%) vào năm 2030 (US National Renewable Energy Laboratory - Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ).
Tuy nhiên, có những thách thức trong thiết kế pin phải được khắc phục để một tương lai không phát thải này trở thành hiện thực. Những thách thức để phát triển pin phù hợp là khác nhau ở sự khắc nghiệt của nhiệt độ môi trường. Thử nghiệm đang diễn ra với các vật liệu mới nhằm cải thiện hiệu quả và giải quyết các vấn đề tồn đọng, làm tăng thêm độ phức tạp cho hỗn hợp vì vật liệu pin được yêu cầu phải có tính năng có thể dự đoán được để đảm bảo an toàn tối đa.
Pin EV đã qua sử dụng có thể được tái sử dụng với ít ứng dụng hơn (lưu trữ năng lượng lưới) và cuối cùng, có thể được tái chế; do đó, đóng góp vào tính bền vững cạnh tranh và nền kinh tế tuần hoàn cũng như đảm bảo rằng các vật liệu luôn được lưu thông thay vì được khai thác liên tục và chỉ bị loại bỏ sau một lần sử dụng.
Vậy làm thế nào pin có thể trở nên mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn?
Mọi thứ bắt đầu với việc nghiên cứu đặc tính vật liệu, từ khai thác nguyên liệu thô đến sản phẩm cuối cùng. Các vật liệu được thiết kế làm các bộ phận của pin được yêu cầu không có tạp chất hoặc bất kỳ sự nhiễm bẩn nào khác vì việc vô tình đưa vào có thể làm giảm hiệu suất của vật liệu hoặc ảnh hưởng đến sự an toàn.
Quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) là một kỹ thuật nhanh chóng, không phá hủy mẫu và thông lượng mẫu cao – điều này rất lý tưởng để thực hiện sàng lọc vật liệu hiệu quả. Vật liệu điện cực tiền chất ở dạng bột. Đối với cực âm, loại bột này thường là hỗn hợp của Niken, Coban và Mangan (NCM); có thể bao gồm nhôm.
Hình 1. Hạt nhiễm bẩn (màu đỏ) trong hạt pin NCM811 (màu xanh).
Hiện nay, người ta có xu hướng thay thế Coban do chi phí và các hoạt động khai thác gây tranh cãi. Các thử nghiệm mới liên tục được diễn ra để tìm ra công thức tối ưu. Việc đảm bảo và kiểm soát chất lượng của các loại bột này là điều cần thiết để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu. AZtecBattery™ cung cấp hệ thống SEM-EDS tự động để kiểm soát thành phần bột và phát hiện tạp chất. Có rất nhiều lợi ích khi sử dụng AZtecBattery:
1. Tự động hóa - thiết bị không ngừng hoạt động
2. Nghiên cứu đặc tính đáng tin cậy (hình thái hạt, kích thước, thành phần, số lượng)
3. Nghiên cứu đặc tính hình thái và thành phần >120.000 hạt/giờ với Ultim[SA2] Max
4. Tái tạo hạt cho các hạt lớn mở rộng ra đa trường quan sát
5. Thông lượng mẫu cao
6. Các sơ đồ phân loại đặt trước có thể tùy chỉnh
7. Hồ sơ người dùng: chia sẻ hồ sơ phân tích trên các trang web để tăng cường tính nhất quán và các SOP tốt hơn
8. Giao diện thân thiện với người dùng với bộ điều hướng và ghi chú từng bước để trợ giúp người dùng mới
9. Báo cáo kết quả tùy chỉnh
Hình 2. Sơ đồ bậc ba của thành phần bột pin NCM811 (tiền chất của cực âm).
Phân tích các vật liệu nhạy cảm với chùm tia trong SEM
Vật liệu pin thường nhạy cảm với chùm tia. Trong trường hợp đó, nên sử dụng điện áp gia tốc chùm tia thấp để tránh làm hỏng mẫu. Nếu mẫu bị phá hủy bởi chùm tia, thì khi phân tích chính xác, nó sẽ phản ánh sự phá hủy chùm tia trên mẫu (thứ cấp) chứ không phải thành phần bản đồ chính. Một ví dụ được trình bày trong các hình ảnh dưới đây. Sự phá hủy chùm tia là rõ ràng với các pha thứ cấp hình thành trên bề mặt mẫu trong việc phân tích Lithium.
Hình 3. Trái: Chất điện phân garnet ở trạng thái rắn trước khi phân tích. Phải: Cùng một vật liệu được phân tích ở 5 kV 500 pA trong 10 phút. Mẫu bị chùm tia phá hủy đáng kể dẫn đến việc Li bị bong ra khỏi khối, tạo thành các sợi nhánh trên bề mặt.
Ultim Extreme là một đầu dò EDS không cửa sổ được thiết kế để hoạt động ở điện áp gia tốc thấp và tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao. Đây là một đầu dò nhạy và mạnh và là đầu dò EDS đầu tiên có khả năng phát hiện nhất quán các nguyên tố nhẹ như Liti. Như vậy, phạm vi ứng dụng của nó mở rộng từ khoa học đời sống đến khoa học vật liệu và bao gồm cả nghiên cứu và phát triển pin.
Ngoài kỹ thuật phân tích EDS, còn có một kỹ thuật chuyên dụng khác để phân tích Pin Lithium, đó là kỹ thuật Phân tích khối phổ thời gian bay (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry - ToF-SIMS). Chúng tôi sẽ cập nhật ở các bài viết tiếp theo.
