CÔNG NGHỆ CT X-RAY 3D & PIN NHIÊN LIỆU-CÂU CHUYỆN DỰ TRỮ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của các giải pháp dự trữ năng lượng, đặc biệt là pin, pin nhiên liệu là một trong những lĩnh vực công nghiệp có nhiều chuyển biến tích cực nhất trong nhiều năm. Xu hướng con người chi tiền đầu tư vào các công nghệ di chuyển bằng điện ngày càng gia tăng chóng mặt. Nhưng đằng sau sự phát triển như vũ bão của pin nhiên liệu ẩn chứa nhiều sự thật thú vị về nguồn dự trữ năng lượng của thế giới. Ngoài ra, công nghệ CT X-ray 3D là gì và công nghệ này liên quan đến pin nhiên liệu như thế nào? Mời quý bạn đọc tiếp tục theo dõi bài viết nhé!

Các nguồn năng lượng trên thế giới

Bối cảnh dự trữ năng lượng hiện tại

Có một nguyên tắc cơ bản khi nói về pin điện hóa: biến đổi năng lượng điện thành hóa năng trong quá trình sạc và ngược lại để khôi phục năng lượng điện trong quá trình phóng điện. Nguyên lý này đã được sử dụng trong pin chì trong 150 năm.

Pin nhiên liệu được thiết kế cách đây hơn 30 năm, ngày nay pin nhiên liệu lithium-ion là giải pháp phổ biến nhất và được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Pin nhiên liệu có hiệu suất rất cao (gấp 3 lần pin chì có cùng trọng lượng) và số lượng chu kỳ lớn làm cho pin trở thành giải pháp năng lượng hiệu quả nhất.

Tuy nhiên, có nhiều vấn đề để cải thiện các sản phẩm hiện có: khả năng lưu trữ, chi phí sản xuất, an toàn, chi phí sinh thái và tất nhiên là tuổi thọ.

Ô tô điện hãng Renault – Pháp

Giới thiệu pin nhiên liệu Lithium

Pin Li-ion được tạo thành từ vô số tế bào, mỗi tế bào có thể tạo ra một vài vôn. Mỗi tế bào được hình thành từ hai điện cực sẽ trao đổi các ion Li. Các ion này chủ yếu tạo thành muối điện giải có trong tế bào.

Ion Li di chuyển từ cực dương sang cực âm trong quá trình phóng điện tạo thành hiện tượng thuận nghịch cho phép sạc lại pin như mô tả trong sơ đồ bên dưới.

Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của pin Li-ion

Các điện cực của pin Li-ion bao gồm một mạng lưới xốp gồm các hạt hoạt động, chất phụ gia dẫn điện và chất kết dính. Sự phân bố ba chiều của ba thành phần này đóng vai trò quan trọng trong khả năng sạc của pin.

Việc phân tích trên một tỷ lệ rất nhỏ các thành phần hóa học của các điện cực là chìa khóa quan trọng để cải thiện hiệu suất của pin.

Các phương pháp phân tích vật chất thông thường thường yêu cầu phá hủy mẫu và không cho phép theo dõi trực tiếp sự phát triển của pin qua các chu kỳ sạc và phóng điện. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tích này chỉ cung cấp thông tin hai chiều, không thích hợp cho việc phân tích mạng xốp ba chiều.

Chụp cắt lớp vi tính tia X CT X-ray 3D cung cấp một giải pháp kỹ thuật cho thách thức hiểu được cơ chế của sự suy giảm điện cực qua các chu kỳ:

• Phương pháp thu nhận cho phép thiết lập các phép đo “tại chỗ” để theo dõi hiện tượng theo thời gian bằng cách đưa tế bào vào chu kỳ sạc / xả.
• Kết quả là một khối lượng dữ liệu cho phép phân tích ba chiều cấu trúc lớp cũng như thành phần bên trong pin nhiên liệu

Các thiết bị CT X-ray 3D hãng RX-Solutions – Pháp

Ứng dụng công nghệ CT X-ray 3D hãng RX-Solutions trong pin nhiên liệu

Công trình nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm MATEIS của INSA Lyon – trung tâm nghiên cứu về phân tích vật liệu đã được công nhận. Nhóm nghiên cứu đặc biệt do nhà khoa học Eric Maire dẫn đầu.

Máy chụp cắt lớp EasyTom 160 RX Solutions được lắp ráp tại Lyon vào năm 2013 có thể đạt được độ phân giải (quy mô phòng thí nghiệm) gần với độ phân giải của các dòng vi đo ảnh đồng bộ hóa như ESRF ở Grenoble, SLS ở Switzeland hoặc Soleil ở Paris, với khả năng truy cập rộng hơn so với các thiết bị lớn này.

Mục tiêu nghiên cứu

Quy trình sản xuất điện cực

Cho đến nay, các điện cực của pin Li-ion sử dụng công thức dựa trên chất kết dính hữu cơ (PVDF) chỉ hòa tan trong dung môi NMP (độc hại và gây ung thư cao). Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để thay thế chất kết dính bằng một giải pháp ít ô nhiễm hơn.

Trong công trình của Victor Vanpeene, chất kết dính được sử dụng là một hợp chất hòa tan trong nước: carboxymethyl cellulose (CMC). Kết quả đã chỉ ra rằng hiệu suất thu được với các hạt hoạt tính như silicon liên kết với CMC có thể vượt trội hơn so với các tế bào hiện tại, thêm vào đó là ít gây ô nhiễm hơn. Tuy nhiên, pin nhiên liệu xuất hiện sự lắng đọng trên chất nền cacbon xốp. Điều này có thể giải thích rằng: chất nền là chất kỵ nước và quá trình tạo ra các chất kết tụ silic rất có hại cho hiệu quả của tế bào pin.

Việc sử dụng công nghệ chụp cắt lớp vi tính CT X-ray 3D trong phòng thí nghiệm cho phép xác định quy trình sản xuất tốt nhất.

Sự suy giảm điện cực trong quá trình sạc / xả

Do các đặc tính hoạt động của tế bào liên kết với thành phần của mạng lưới xốp của điện cực, nên sự suy thoái của điện cực được quan sát bằng cách theo sau các hiện tượng giãn nở/co lại, khử khí, hình thành vết nứt và phân rã trong suốt giai đoạn tích điện/ phóng điện.

Phương pháp nghiên cứu

Thiết bị vận hành EasyTom 160

EasyTom 160 là thiết bị có độ bền cao nhất trong dòng máy hãng RX Solutions. Ống tia X bao gồm một máy phát điện có tên gọi là “nanofocus”. Mức độ hội tụ chùm điện tử rất cao cho phép thu được tiêu điểm tia X rất nhỏ và tách các vạch có bậc 300 nm. Thiết kế của ống tia X cung cấp độ ổn định nhiệt và điện cần thiết cho việc thu nhận hình ảnh chụp cắt lớp vi tính.

Giai đoạn luân chuyển không khí cực kỳ chính xác và việc sử dụng các cảm biến khác nhau cho phép thu được các bản tái tạo chụp cắt lớp có độ phân giải rất cao với chất lượng tuyệt vời.

Thiết bị chụp cắt lớp vi tính  EasyTom 160 hãng RX-Solutions

“Máy chụp ảnh vi mô EasyTom 160 là thiết bị hữu dụng nhất trong dòng máy giải pháp RX”

• Cảm biến bảng phẳng tạo ra hình ảnh với thời gian thu nhận tương đối ngắn ngay cả ở độ phân giải submicron nhưng yêu cầu kích thước mẫu tối đa là vài mm để đặt trục quay càng gần ống càng tốt.
• Máy ảnh CCD với kích thước pixel nhỏ hơn 10 um, đạt kích thước voxel vài trăm nm, ngay cả với những hạn chế mạnh mẽ hơn về kích thước mẫu như trường hợp của môi trường “in-situ”. Máy ảnh CCD được sử dụng cho tất cả các kết quả được trình bày trong bài báo này.
• Buồng thử của EasyTom 160 vừa nhỏ gọn để lắp đặt trong phòng thí nghiệm nhỏ vừa rộng rãi để phù hợp với môi trường mẫu. Cửa ra vào rộng tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động lắp đặt.
• Cuối cùng, máy chụp cắt lớp được điều khiển bởi phần mềm X-act, phần mềm này cung cấp sự linh hoạt và tinh chỉnh cần thiết để thực hiện các thí nghiệm.

Thử nghiệm vật liệu trong cell pin Li-ion

Điện cực được phân tích bao gồm 80% hạt silicon hoạt tính, 12% chất phụ gia dẫn điện và 8% chất kết dính.

• Các hạt silicon hoạt tính thu được bằng cách nghiền bột trong 20 giờ trong môi trường được kiểm soát và sau đó được kết hợp thành dung dịch nhão với chất kết dính và phụ gia dẫn điện.
• Đường kính trung bình của các hạt silic trong hỗn hợp cuối cùng là 0,8 um.

Điện cực được đặt trên nền giấy carbon thay vì kim loại, chủ yếu để tránh hiện tượng tạo tác kim loại xảy ra trong quá trình chụp cắt lớp với sự hiện diện của đồng.

Điện cực được cấu tạo bằng kim loại liti và hai điện cực này được ngăn cách bằng một tấm phân cách dạng sợi ngâm với chất điện phân là muối liti (LiPF6) được hòa tan trong dung dịch hữu cơ.

Cơ sở lý thuyết của quá trình chụp cắt lớp

Điện cực được đặt trong một cell hóa chất để thực hiện một số quá trình thu nhận trong mỗi chu kỳ. Cell được giữ trong một hình trụ PTFE có đường kính ngoài 1,2 mm. Đường kính nhỏ cho phép đặt tế bào càng gần ống càng tốt để giảm thời gian quét và tối ưu hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

Việc phân tích sự suy giảm điện cực trong chu kỳ yêu cầu thời gian thu nhận đủ ngắn để thu được độ khử ở thời điểm t và lặp lại thao tác với số lượng lớn dần. Đồng thời, kích thước rất nhỏ của các pha mong muốn, cũng như sự khác biệt về độ hấp thụ nhỏ giữa các pha này, đòi hỏi độ phân giải cao và đủ độ tương phản. Một số lần quét đã được thực hiện để xác định các điều kiện quét tối thiểu có thể cho phép phân đoạn các pha khác nhau của điện cực.

Với sự hỗ trợ của Jérôme Adrien và Joël Lachambre, các kỹ sư tại phòng thí nghiệm, Victor Vanpeene đã phát triển các điều kiện để thu nhận và tái tạo trên EasyTom tại phòng thí nghiệm MATEIS

Các điều kiện thử nghiệm được mô tả như sau:

Bảng 1 – Các điều kiện thử nghiệm

ID Điều kiện quét	Thiết bị	Điệp áp tăng tốc	Kích thước Voxel	Thời gian thu nhận	Khối lượng tái tạo
#1	EasyTom 160	76 kV	700 nm	55 phút	1538 × 1358 × 200 um
#2	EasyTom 160	76 kV	800 nm	55 phút	1538 × 1358 × 200 um
#3	EasyTom 160	76 kV	800 nm	17 phút	1538 × 1358 × 200 um

Thuật toán tái tạo được triển khai trong phần mềm RX Solutions X-act UniCT

Các chu kì điều kiện được sử có tổng thời gian chu kỳ là 18 giờ, 9 giờ cho mỗi giai đoạn (tức là C/9 chu kì). Động học này phải cho phép thực hiện một số hình ảnh chụp cắt lớp mỗi chu kỳ để quan sát sự phát triển của điện cực. Điều kiện thử nghiệm # 3 được phép thực hiện một phép đo mỗi giờ, tức là 18 lần quét trong một chu kỳ.

Quét điện cực trong chụp cắt lớp X-quang. Điện cực được đặt trong một tế bào điện hóa để áp dụng các chu kỳ sạc và phóng điện

Kết quả nghiên cứu

Các hình ảnh chụp cắt lớp thu được trong mẫu đại diện có kích thước 1 × 1 × 0,6 mm.

Hình ảnh 3D mô tả kích thước thu được bằng CT X-ray 3D  trên EasyTom 160 của Phòng thí nghiệm MATEIS

Hình ảnh 3D của các lớp bên trong pin, làm nổi bật hiện tượng phồng điện cực

Hình ảnh 3D thu được bằng phương pháp CT X-ray 3D của pin máy ảnh

Các khu vực nhẹ nhất tương ứng với các khu vực giàu silicon. Các khu vực tối nhất cho thấy sự hiện diện của các bong bóng khí. Các mức suy giảm tia X rất gần nhau. Mức độ nhiễu tương đối cao trong hình ảnh là do điều kiện thử nghiệm “tại chỗ” và thời gian thu nhận tương đối dài có chủ ý ngắn.

Quy trình sản xuất điện cực

Trong quá trình sản xuất điện cực, sự phân bố đồng nhất của các hạt hoạt tính trong chất nền xốp mang lại hiệu suất tốt hơn do phản ứng và tuần hoàn ion tốt hơn (trương nở). Điều này góp phần tạo một điện cực đồng nhất về tổng thể và hoạt động bình thường.

Các bản quét có độ phân giải rất cao thu được trên máy chụp cắt lớp của phòng thí nghiệm MATEIS đã cho phép xác định quy trình sản xuất điện cực khác nhau: sau khi xử lý và phân đoạn các hình ảnh chụp cắt lớp, chúng tôi trích xuất sự phân bố của silicon.

Quy trình A sử dụng dung dịch nước hoàn toàn khi tạo bột, trong khi quy trình B sử dụng hỗn hợp 10% isopropanol.

Các mặt cắt ngang của điện cực thu được bằng quy trình A. Điều kiện quét # 1, các kết tụ silicone có thể nhìn thấy rõ dưới dạng các hạt lớn màu trắng.

Đường cong phân số silicon tính từ thể tích chụp cắt lớp vi tính theo vị trí trong thể tích. Sự phân bố rất không đồng nhất đặc biệt là về độ dày của điện cực.

Các mặt cắt ngang của điện cực thu được trong quy trình B. Điều kiện quét # 1. Silicon phân bố ở dạng hạt nhỏ màu trắng hoặc xung quanh các lỗ xốp.

Đường cong phần silicon tính từ thể tích ảnh chụp theo vị trí trong thể tích. Sự phân bố khá không đồng nhất theo 3 hướng.

Sự suy giảm điện cực trong chu kỳ sạc / xả

Để giảm tiết kiệm thời gian, nhóm nghiên cứu đã tiếp tục làm việc với các điều kiện thử nghiệm Bảng 1. Các kết quả được trình bày trong hình dưới đây thu được khi sử dụng chế độ thu nhận trong chế độ liên tục thay vì chế độ quét từng bước bằng cách triệt tiêu trung bình phép chiếu. Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng trong 17 phút có đủ mức độ tương phản để cho phép phân đoạn các pha giàu silicon. Ngoài ra, thời gian 55 phút là thời gian thu nhận đủ thấp cho một máy CT X-ray 3D phòng thí nghiệm ở độ phân giải siêu vi mô.

So sánh các mặt cắt thu được với thời gian thu nhận lần lượt là 55 và 17 phút. Phân tích tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỷ lệ tương phản trên nhiễu (CNR) cho thấy sự chênh lệch nhỏ giữa kết quả của hai phép đo. Do đó, có thể giảm thời gian thu nhận kết quả xuống 17 phút

Các kết quả sau đây được trích xuất từ thí nghiệm tại chỗ được thực hiện trên cell trong chu kỳ đầu tiên. Một loạt 18 lần chụp CT đã được thực hiện trong chu kỳ. Các phần kết quả dưới đây tương ứng với 5 giai đoạn của chu kỳ sạc/xả đầu tiên này.

• Hiện tượng điện cực trương nở

Vết cắt đầu tiên được thực hiện ở trạng thái ban đầu cho thấy ít độ xốp và sự hiện diện của chất điện phân. Khi quá trình tích điện tăng lên, số lượng lỗ xốp tạo ra bởi quá trình khử khí tăng lên, làm tăng thể tích của điện cực; do đó, chúng ta có thể thấy sự “nâng cao” của đường độ xám phân giới giữa điện cực với thiết bị phân cách

Đường cong thu được từ tất cả các phép đo cho thấy sự gia tăng độ dày là tương đối tuyến tính và đạt 60% ở cuối điện tích. Mặt khác, sự co lại trong quá trình phóng điện không phải là toàn bộ: sự giãn nở 20% vẫn còn. Trong toàn bộ thời gian của thử nghiệm, sự mở rộng được định lượng theo 3 hướng.

• Hiện tượng Lithiation

Ba lần thu nhận đầu tiên (hình 1 đến hình 3) cho thấy sự giảm mức độ xám của các hạt silic. Điều này tương ứng trực tiếp với quá trình tiến hóa hóa học của chúng: hiện tượng nung chảy biến silic thành silic hóa thạch, có khả năng hấp thụ kém hơn ba lần. Chúng ta có thể quan sát trực tiếp sự kết hợp của ion Li⁺ với silicon trong quá trình sạc pin.

Trên các lát cắt thu được vào cuối chu kỳ, mức độ xám thấp hơn được quan sát thấy đối với các hạt silic so với trạng thái ban đầu, điều này chứng minh tính không tái tạo tổng thể của các hiện tượng hóa học.

Các phần hình ảnh thu được tại chỗ trên máy EasyTom 160 từ phòng thí nghiệm MATEIS ở Lyon. Dòng trên cùng: phần dọc trong ô. Đường chấm xác định vị trí giao nhau giữa điện cực và thiết bị phân tách. Các dòng tiếp theo: phần nằm ngang trong điện cực. Từ trái sang phải: chu kỳ xả / sạc đầu tiên của tế bào đến xấp xỉ 0%; 4% và 100% sạc, 50% và 100% xả.

• Hiện tượng nứt

Người ta cũng có thể dự đoán được sự phân tách giữa silicon và phần còn lại của pin, nhưng chất lượng hình ảnh trong điều kiện thử nghiệm tại chỗ không đủ để định lượng. Sẽ rất thú vị nếu thực hiện lại quá trình thu nhận ngoại vị trên máy chụp cắt lớp vi tính, để đánh giá khía cạnh này.

Thật vậy, dung dịch điện phân trong tế bào làm giảm hiện tượng tương phản pha, hiện tượng này mặc dù khó có thể quan sát trên thiết bị phòng thí nghiệm thông thường. Tuy nhiên, EasyTom 160 có thể cho phép xem chi tiết sự phân tách silicon và phần còn lại của pin.

Kết luận

Việc sử dụng máy chụp cắt lớp vi tính tia X trong phòng thí nghiệm đã được xác nhận để phân tích các vật liệu cấu trúc vi mô trong cell pin Li-ion với điện cực silicon. Công nghệ phân tích áp dụng cho các phép phân tích trên một mẫu trơ ngoài hiện trường và cho các thí nghiệm tại chỗ. Do đó, có thể định lượng silicon trong điện cực với sự phân bố ba chiều của EasyTom 160 và quan sát một số hiện tượng suy giảm trong một chu kỳ.

Bước đột phá của công nghệ CT X-ray trong nghiên cứu pin nhiên liệu tương tự như các phòng thí nghiệm và trung tâm, góp phần tăng tốc đáng kể công việc nghiên cứu trong khi vẫn dựa vào các nguồn đồng bộ với những hạn chế của thiết bị phòng thí nghiệm.

BETA tự hào là nhà phân phối độc quyền tất cả các sản phẩm của RX-Solutions – Pháp tại thị trường Việt Nam.

Với đội ngũ kỹ sư dày dặn kinh nghiệm cùng với các chuyên gia hỗ trợ từ các nhà cung cấp uy tín, chúng tôi luôn nỗ lực phấn đấu để mang đến những thiết bị độc quyền, dịch vụ có giá trị hoàn hảo nhất đến khách hàng cho thị trường trong nước.

 

Nguồn: Sưu tầm

Author: Cam Phan

Hãy liên hệ chúng tôi để được tư vấn cụ thể.   

CÔNG TY TNHH BETA TECHNOLOGY Số nhà 17, Đường số 12, Khu dân cư Cityland Park Hills, Phường 10, Quận Gò Vấp, TP Hồ Chí Minh 0286 2727 095 – 0286 2761 581 0903 042 747 – Mr. Trung sales@betatechco.com https://betatechco.com/ – https://thinghiemxangdau.vn/ – https://thietbihoanghiem.com/ Theo dõi các tin tức mới cập nhật thường xuyên của BETA tại các kênh sau: