1. Giới thiệu
Là thiết bị lưu trữ năng lượng cốt lõi cho các loại xe năng lượng mới, nhà máy điện lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử di động, pin lithium-ion có mật độ năng lượng, vòng đời và độ an toàn quyết định trực tiếp đến mức phát triển của các ngành công nghiệp hạ nguồn.Bọt niken Nhờ những ưu điểm cộng hưởng giữa cấu trúc và hiệu suất, vật liệu này đã thể hiện hiệu suất vượt trội trong việc giải quyết các vấn đề như hiệu suất thấp của bộ thu dòng điện pin lithium-ion truyền thống và việc sử dụng vật liệu hoạt tính không hiệu quả. Nó đã trở thành vật liệu phụ trợ quan trọng cho nghiên cứu và phát triển pin lithium-ion hiệu suất cao. Bài báo này phân tích các đặc điểm cốt lõi, cơ chế hoạt động và tiến trình ứng dụng của nó.
2. Phân tích cơ bản về Niken bọt
2.1 Cấu trúc và tính chất
Niken bọt thể hiện cấu trúc mạng lưới liên kết ba chiều, với độ xốp điển hình từ 80%-95%, diện tích bề mặt riêng lên đến 1-5 m²/g, điện trở suất thấp đến 5-10 μΩ·cm ở nhiệt độ phòng và độ bền kéo khoảng 15-30 MPa. Độ xốp cao cho phép tải trọng lớn các vật liệu hoạt tính (như catốt lưu huỳnh và anode gốc silicon) trong pin lithium-ion (cao hơn 20%-40% so với bộ thu dòng lá nhôm thông thường); độ dẫn điện và độ bền cơ học tuyệt vời có thể làm giảm tổn thất truyền electron, đồng thời chịu được sự giãn nở thể tích của điện cực trong các chu kỳ sạc-xả, tạo nên sự hỗ trợ về mặt cấu trúc cho hoạt động ổn định lâu dài của pin.
2.2 Quy trình chuẩn bị
Các phương pháp chế tạo chính thống được chia thành điện phân và khử hóa học:
Phương pháp điện phân: Sử dụng bọt polyurethane làm chất nền, một lớp niken được lắng đọng trên bề mặt khung thông qua quy trình mạ điện, sau đó được tẩy dầu mỡ ở nhiệt độ cao và thiêu kết khử để tạo thành niken bọt. Độ tinh khiết của sản phẩm có thể đạt trên 99,5%, với sai số đồng đều khẩu độ nhỏ hơn 5%. Tuy nhiên, đầu tư vào thiết bị mạ điện khá cao, chi phí sản xuất mỗi tấn khoảng 30.000-50.000 nhân dân tệ;
Phương pháp khử hóa học: Dung dịch muối niken được trộn với chất khử (như natri hypophotphit), phản ứng khử xảy ra trên bề mặt khuôn xốp tạo thành lớp niken. Chi phí chỉ bằng 60%-70% so với phương pháp điện phân, phù hợp cho sản xuất hàng loạt quy mô 10.000 tấn. Tuy nhiên, độ tinh khiết của sản phẩm dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất, và có thể xảy ra hiện tượng bong tróc cấu trúc vi mô trong quá trình sử dụng lâu dài.
Việc lựa chọn hai quy trình này cần được xác định toàn diện dựa trên tình huống ứng dụng của pin lithium-ion (ví dụ, pin điện có yêu cầu cao về độ tinh khiết, trong khi pin lưu trữ năng lượng tập trung nhiều hơn vào chi phí).
3. Cơ chế hoạt động của pin Lithium-Ion
3.1 Vai trò là bộ thu dòng điện điện cực
Khi được sử dụng làm bộ thu dòng điện cực âm hoặc cực dương, cấu trúc mạng lưới ba chiều của niken xốp có thể tạo nên một mạng lưới dẫn điện ba chiều ". So với lá kim loại truyền thống (như lá nhôm và lá đồng), chiều dài đường truyền electron được rút ngắn 40%-60%, giúp giảm điện trở trong của pin 15%-25%; đồng thời, cấu trúc xốp của nó có thể chứa nhiều chất điện phân hơn, cải thiện hiệu suất truyền ion. Trong thử nghiệm sạc-xả tốc độ 1C, tỷ lệ duy trì dung lượng pin tăng 8%-12% so với bộ thu dòng điện truyền thống, và hiệu suất tốc độ được tối ưu hóa đáng kể.
3.2 Hiệu suất hoạt động xúc tác
Trong pin lithium-không khí, các nguyên tử niken trên bề mặt niken bọt có thể hoạt động như các vị trí hoạt động xúc tác cho phản ứng khử oxy (ORR) và phản ứng giải phóng oxy (OER), làm giảm năng lượng hoạt hóa phản ứng khoảng 0,2-0,3 eV và thu hẹp khoảng cách điện áp sạc-xả của pin từ 10%-15%; trong pin lithium-lưu huỳnh, niken bọt có thể ức chế hiệu ứng đưa đón của polysulfide lithium và làm giảm sự mất mát vật liệu hoạt động thông qua quá trình hấp phụ hóa học, giảm tốc độ suy giảm dung lượng của pin sau 500 chu kỳ xuống dưới 20% (pin thông thường thường vượt quá 30%).
3.3 Tác động toàn diện đến hiệu suất pin
Theo góc nhìn của dữ liệu thử nghiệm thực tế, pin lithium-ion sử dụng bộ thu dòng điện niken dạng bọt:
Mật độ năng lượng tăng từ 10%-30% (ví dụ, pin lithium ba thành phần tăng từ 280 Wh/kg lên 350 Wh/kg);
Tuổi thọ chu kỳ được kéo dài thêm 50%-100% (ví dụ, tỷ lệ duy trì dung lượng của pin lithium sắt phosphate sau 2000 chu kỳ vượt quá 85%, trong khi tỷ lệ này của pin truyền thống chỉ khoảng 60%);
Hiệu suất ở nhiệt độ thấp được tối ưu hóa và hiệu suất sạc-xả ở -20℃ tăng 15%-20% so với pin truyền thống, có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng của xe năng lượng mới ở các vùng lạnh giá phía bắc.
4. Tiến độ nghiên cứu và các trường hợp ứng dụng
4.1 Xu hướng nghiên cứu tiên tiến
Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải tiến niken bọt để vượt qua các hạn chế về hiệu suất:
Biến đổi tổng hợp: Kết hợp graphene và ống nano carbon với niken bọt để tạo ra mạng lưới dẫn điện hiệp đồng "niken-carbon", giúp tăng độ dẫn điện của vật liệu lên 30%-50% đồng thời tăng cường khả năng chống ăn mòn;
Cải tiến bề mặt: Tạo lớp bảo vệ trên bề mặt niken bọt thông qua mạ điện coban, hợp kim niken-phốt pho, v.v. Tốc độ ăn mòn trong chất điện phân có tính axit (như chất điện phân pin lithium-lưu huỳnh) giảm xuống dưới 0,01 mm/năm (niken bọt chưa cải tiến là khoảng 0,05 mm/năm);
Tối ưu hóa cấu trúc: Phát triển bọt niken gradient-pore (kích thước lỗ xốp nhỏ trên bề mặt, kích thước lỗ xốp lớn ở lớp trong), không chỉ đảm bảo khả năng nạp vật liệu hoạt tính mà còn giảm trở kháng điện phân. Các công nghệ liên quan đã được kiểm chứng trong các mẫu phòng thí nghiệm của các doanh nghiệp như CATL và BYD.
4.2 Tình trạng ứng dụng thực tế
Niken bọt đã được ứng dụng rộng rãi trong hai loại pin lithium-ion:
Pin Lithium-Lưu huỳnh: Một doanh nghiệp trong nước sử dụng bọt niken phủ carbon làm bộ thu dòng điện cực âm. Pin Lithium-Lưu huỳnh sản xuất có mật độ năng lượng 450 Wh/kg và đã được lắp đặt trên các UAV cỡ nhỏ, thời gian sử dụng pin tăng 40% so với pin Lithium-ion truyền thống;
Pin điện: Tesla sử dụng bộ thu dòng điện anot gia cố bằng niken dạng bọt trong quá trình nghiên cứu và phát triển pin 4680, giúp tăng khả năng sạc-xả của pin lên 4C (sạc đầy trong 15 phút) đồng thời giảm nguy cơ mất kiểm soát nhiệt;
Hiện nay, vấn đề cốt lõi hạn chế ứng dụng quy mô lớn vẫn là chi phí - chi phí của bộ thu dòng điện niken xốp chiếm khoảng 8% -12% tổng sốvật liệu pinchi phí (các bộ thu dòng điện truyền thống chỉ chiếm 3%-5%) và cần phải giảm chi phí hơn nữa thông qua tối ưu hóa quy trình.
5. Thách thức và triển vọng
5.1 Các vấn đề hiện có
Ngoài vấn đề chi phí, còn có hai thách thức cốt lõi:
Độ ổn định không đủ: Trong pin lithium-ion điện áp cao (ví dụ: trên 4,5 V), niken bọt dễ xảy ra phản ứng giao diện với chất điện phân, tạo ra hợp chất Ni³⁺, dẫn đến tăng trở kháng pin và tốc độ suy giảm dung lượng vượt quá 25% sau 1000 chu kỳ;
Kiểm soát độ đồng nhất: Trong quá trình sản xuất quy mô lớn, độ lệch về kích thước lỗ rỗng và độ dày của niken xốp có thể vượt quá ±10%, dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất giữa các lô pin và ảnh hưởng đến việc kiểm soát chất lượng của các doanh nghiệp hạ nguồn.
5.2 Hướng phát triển trong tương lai
Giảm chi phí quy trình: Phát triển công nghệ điện phân không cần mẫu "" để loại bỏ chất nền bọt polyurethane, dự kiến sẽ giảm chi phí sản xuất hơn 30%;
Thích ứng đa tình huống: Đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng mới như pin lithium thể rắn và pin natri-ion, phát triển vật liệu có nguồn gốc từ niken dạng bọt có trở kháng thấp và khả năng tương thích cao (ví dụ: chất mang điện phân rắn tổng hợp gốc niken);
Nâng cấp công nghiệp hóa: Giới thiệu hệ thống kiểm tra trực quan AI để kiểm soát sai số về độ đồng nhất của sản phẩm niken xốp trong phạm vi ±5%, đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt pin điện.
