Cách vượt qua thách thức áp suất cao của pin thể rắn sulfide—Phân tích chuyên sâu về các lộ trình kỹ thuật toàn cầu [Phân tích SMM]

SMM, ngày 3 tháng 9:

Điểm chính: Áp suất cao (yêu cầu trên 20 MPa) đối với pin thể rắn hoàn toàn sulfide là nút thắt của ngành. Trong bốn lộ trình công nghệ giảm áp suất toàn cầu, các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã thể hiện xuất sắc: FAW × Viện Công nghệ Phương Đông đạt đột phá về cell pin dung lượng lớn ở mức 5 MPa, và nhóm do Huang Xuejie dẫn đầu tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã đạt được vận hành với áp suất ngoài bằng không. Cách tiếp cận kỹ thuật cốt lõi là đưa vào một lớp giao diện đàn hồi, tự thích ứng tại giao diện rắn-rắn cứng, thay thế cho việc ép cơ học từ bên ngoài. Khi áp suất tiếp tục giảm từ "áp suất cao" xuống "áp suất thấp" và "áp suất bằng không", quá trình công nghiệp hóa pin thể rắn hoàn toàn sulfide đang tăng tốc đáng kể.

Giới thiệu: Ngày 1 tháng 9 năm 2026, China FAW hợp tác với Viện Công nghệ Phương Đông đã đạt được đột phá kỹ thuật lớn trong vận hành áp suất thấp của pin thể rắn hoàn toàn sulfide. Kết quả liên quan được công bố trên tạp chí quốc tế hàng đầu Advanced Energy Materials với tiêu đề "Ion-Elastomer Interface Enables Low-Pressure, High-Stability Solid-State Batteries". Nhằm giải quyết nút thắt của ngành rằng pin thể rắn hoàn toàn thường yêu cầu áp suất vận hành trên 20 MPa, hai bên đã đạt được thành công chu kỳ ổn định của cell pin thể rắn hoàn toàn sulfide dung lượng lớn dưới áp suất thấp 5 MPa thông qua kiểm soát hình thái vật liệu, thiết kế cấu trúc cell áp suất thấp và tối ưu hóa quy trình chế tạo. Đột phá này đánh dấu bước tiến quan trọng của Trung Quốc trong các công nghệ cốt lõi thiết yếu cho ứng dụng thực tế của pin thể rắn hoàn toàn sulfide.

1. Tại sao pin thể rắn hoàn toàn sulfide cần áp suất cao?
Chất điện phân rắn sulfide có độ dẫn ion cao gần bằng chất điện phân lỏng, với một số vật liệu đạt mức 10⁻² S/cm, nhưng bản chất chúng là vật liệu giòn. Trong quá trình sạc và xả, sự giãn nở và co lại thể tích của điện cực có thể gây ra các khe hở tại giao diện rắn-rắn và làm suy giảm tiếp xúc. Để duy trì đường dẫn ion và electron, áp suất xếp chồng bên ngoài tương đối cao thường được yêu cầu trong phòng thí nghiệm và xác nhận kỹ thuật ban đầu, thường trong khoảng 3–12 MPa, và trong một số tình huống lên đến khoảng 20 MPa, tương đương khoảng 200 kg áp lực trên mỗi centimet vuông.
Yêu cầu áp suất cao này mang đến hàng loạt thách thức kỹ thuật: bộ pin cần cơ cấu nén áp suất nặng nề, mật độ năng lượng hệ thống bị giảm nghiêm trọng và chi phí sản xuất hàng loạt tăng mạnh. Do đó, làm thế nào để giảm áp suất vận hành từ trên 20 MPa xuống mức một chữ số, thậm chí bằng 0, đã trở thành một đề xuất cốt lõi trong nghiên cứu pin thể rắn toàn cầu.
2. Tổng quan về các lộ trình công nghệ toàn cầu
Hiện nay, các lộ trình công nghệ nhằm giảm áp suất vận hành của pin thể rắn sulfide trên toàn thế giới có thể được tóm tắt thành bốn hướng chính: kỹ thuật bề mặt tiếp xúc, biến tính chất điện phân, thiết kế cấu trúc điện cực và đổi mới cấu trúc tế bào pin.
2.1 Lộ trình kỹ thuật bề mặt tiếp xúc
Đây hiện là lộ trình có nhiều kết quả nhất và có những đột phá quan trọng nhất. Ý tưởng cốt lõi là đưa vào một lớp bề mặt chức năng giữa điện cực và chất điện phân để bù đắp thích ứng cho sự thay đổi thể tích và duy trì độ ổn định tiếp xúc.
(1) Bề mặt tiếp xúc ion-đàn hồi (FAW Trung Quốc × Viện Công nghệ Phương Đông)
Tên công nghệ: Bề mặt tiếp xúc ion-đàn hồi
Nhóm nòng cốt: Viện Nghiên cứu & Phát triển FAW × Viện Công nghệ Phương Đông, Ninh Ba
Đặc điểm kỹ thuật: Thông qua việc kiểm soát hình thái vật liệu, thiết kế cấu trúc tế bào áp suất thấp và tối ưu hóa quy trình chế tạo, một lớp bề mặt có khả năng dẫn ion và chức năng tự thích ứng đàn hồi được xây dựng tại bề mặt tiếp xúc rắn-rắn. Bề mặt tiếp xúc này có thể cải thiện độ ổn định tiếp xúc của bề mặt rắn-rắn trong quá trình tuần hoàn và giảm đáng kể sự phụ thuộc của tế bào pin vào áp suất bên ngoài. Chỉ số kết quả: Tế bào pin thể rắn hoàn toàn dung lượng lớn tuần hoàn ổn định dưới áp suất thấp 5 MPa.
Ý nghĩa ngành: Đây là một trong những đột phá khả thi nhất về mặt kỹ thuật ở cấp độ tế bào dung lượng lớn cho đến nay, với lộ trình rõ ràng hướng tới ứng dụng sản xuất hàng loạt.
(2) Công nghệ điều chỉnh anion (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc × Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung × Viện Công nghệ và Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Tên công nghệ: Điều chỉnh anion
Nhóm nòng cốt: Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Huang Xuejie tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc; nhóm nghiên cứu của Giáo sư Zhang Heng tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung; nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yao Xiayin tại Viện Công nghệ và Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Đặc điểm kỹ thuật: Bằng cách xây dựng một lớp “keo đặc biệt” giữa chất điện phân và điện cực lithium - một lớp giao diện động được điều chỉnh bởi các ion iodide - nó có thể thích ứng với sự thay đổi thể tích của cực dương lithium và duy trì tiếp xúc chặt chẽ giữa chất điện phân “cứng” và cực dương lithium dưới áp suất ngoài thấp hoặc thậm chí bằng không. Công nghệ này được ví như “sửa chữa giao diện” và đây là pin lithium kim loại toàn rắn điện phân sulfide không áp suất ngoài đầu tiên được báo cáo trên thế giới. Các kết quả liên quan đã được công bố trên Nature Sustainability.
Đánh giá của chuyên gia: Giáo sư Wang Chunsheng, chuyên gia pin thể rắn tại Đại học Maryland, Hoa Kỳ, nhận xét rằng nghiên cứu này giải quyết nút thắt then chốt hạn chế việc thương mại hóa pin toàn rắn.
Chỉ số kết quả: Đạt được hoạt động ổn định dưới áp suất ngoài bằng không.
(3) Lớp trung gian polyrotaxane thích ứng cơ học (Nhóm Coskun và cộng sự)
Tên công nghệ: Lớp trung gian polyrotaxane thích ứng cơ học
Nhóm nòng cốt: Nhóm nghiên cứu quốc tế (Jang Wook Choi và cộng sự)
Đặc điểm kỹ thuật: Một giao diện cực dương thích ứng cơ học dựa trên polymer đàn hồi và polyrotaxane (PR) liên kết cơ học đã được thiết kế. Hiệu ứng “ròng rọc” của polyrotaxane cho phép lớp giao diện biến dạng thích ứng dưới ứng suất, duy trì tiếp xúc rắn-rắn ổn định. Các kết quả liên quan đã được công bố trên Angewandte Chemie.
Chỉ số kết quả: Đạt được hoạt động ổn định của pin toàn rắn sulfide mật độ năng lượng cao dưới áp suất xếp chồng thấp.
(4) Lớp phủ tinh thể nhựa ion hữu cơ (ScienceDirect)
Tên công nghệ: Lớp phủ tinh thể nhựa ion hữu cơ
Nhóm nòng cốt: Nhóm nghiên cứu quốc tế
Đặc điểm kỹ thuật: Biến đổi bề mặt của cực âm niken cao (LiNi₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅O₂) bằng tetramethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TMATFSI) giúp giảm áp suất xếp chồng cần thiết cho pin toàn rắn sulfide.
Chỉ số hiệu suất: Đạt được hoạt động ổn định dưới áp suất xếp chồng thấp.
(5) Lớp trung gian gel polymer hóa tại chỗ (Nhóm Wu Fan, Viện Vật lý, CAS)
Tên công nghệ: Lớp trung gian gel polymer hóa tại chỗ DOL
Nhóm nghiên cứu chủ chốt: Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Wu Fan, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu
Đặc điểm kỹ thuật: Lớp gel polyme trùng hợp tại chỗ DOL được đưa vào tại bề mặt tiếp xúc cathode để cải thiện tiếp xúc bề mặt.
Chỉ số hiệu năng: Pin đầy đủ LFP/điện giải sulfide lắp ráp đạt hơn 300 chu kỳ ổn định ở áp suất ngoài cực thấp (0,5 MPa) và nhiệt độ phòng ở tốc độ C cao (2C).
2.2 Lộ trình cải tiến điện giải
Ý tưởng cốt lõi là làm cho bản thân chất điện giải mềm hơn và dễ biến dạng hơn, để nó có thể duy trì tiếp xúc tốt với các điện cực ngay cả dưới áp suất thấp.
(1) Điện giải sulfide đa chức năng tổng hợp tự giới hạn (nhóm Wu Fan, Viện Vật lý, CAS)
Tên công nghệ: Thiết kế điện giải tự giới hạn / điện giải sulfide đa chức năng tổng hợp (M-CSE)
Nhóm nghiên cứu chủ chốt: Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Wu Fan, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu
Đặc điểm kỹ thuật: Khái niệm thiết kế điện giải tự giới hạn được đề xuất, và một loại điện giải sulfide đa chức năng tổng hợp, M-CSE, được phát triển, giải quyết thành công tính không ổn định của bề mặt tiếp xúc lithium kim loại và sự phát triển dendrite lithium. Đồng thời, công nghệ in 3D được kết hợp để chế tạo pin túi áp suất xếp chồng thấp.
Chỉ số hiệu năng: Áp suất xếp chồng vận hành của pin túi sulfide giảm xuống còn 2 MPa, mật độ năng lượng đạt 219 Wh/kg, và tỷ lệ duy trì dung lượng sau 500 chu kỳ là 95,04%. Trong một nghiên cứu khác, sử dụng chiến lược keo dính bề mặt PEVA-LiDFOB, pin túi đạt tỷ lệ duy trì dung lượng 90,6% sau 100 chu kỳ ở 2 MPa.
(2) Điện giải sulfide thay thế borohydride
Tên công nghệ: Điện giải sulfide thay thế borohydride (Li₃PS₄-xLiBH₄, LPSBH)
Nhóm nghiên cứu chủ chốt: Nhóm nghiên cứu quốc tế
Đặc điểm kỹ thuật: Một loại điện giải sulfide có khả năng biến dạng cao được tổng hợp bằng phương pháp nghiền cơ học, cho phép tiếp xúc bề mặt vật lý ổn định dưới áp suất xếp chồng thấp.
Chỉ số hiệu năng: Đạt hiệu năng tuyệt vời dưới áp suất xếp chồng thấp.
(3) Điện giải đàn hồi (nhóm He Ping/Zhou Haoshen, Đại học Nam Kinh)
Tên công nghệ: Điện giải đàn hồi
Nhóm nghiên cứu chủ chốt: Nhóm của Giáo sư He Ping và Giáo sư Zhou Haoshen từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng tại Đại học Nam Kinh
Đặc điểm kỹ thuật: Chất điện phân đàn hồi dựa trên copolymer hai monomer và hỗn hợp eutectic sâu được thiết kế, có độ dẫn ion ở nhiệt độ phòng cao (2×10⁻³ S/cm).
Chỉ tiêu đạt được: Pin thể rắn hoạt động ổn định dưới áp suất ngoài bằng 0, chỉ dựa vào áp suất tích tụ bên trong pin.
2.3 Các lộ trình thiết kế cấu trúc điện cực
(1) Cực dương silicon-carbon tự ứng suất trước
Tên công nghệ: Cực dương silicon-carbon tự ứng suất trước (Self-Pressure Silicon-Carbon Anode)
Đặc điểm kỹ thuật: Bằng cách đưa thiết kế ứng suất trước vào bên trong cực dương, điện cực tự duy trì tiếp xúc bề mặt trong quá trình chu kỳ.
Chỉ tiêu đạt được: Pin nửa điện phân thể rắn sulfide đạt 700 chu kỳ với tỷ lệ duy trì dung lượng 79,2%, áp suất xếp chồng tối thiểu 2 MPa.
(2) Điều chỉnh cấu trúc/giao diện cực âm niken cao (tổng quan)
Nhóm nòng cốt: Zhang Yajuan, Li Jinliang, Zhang Xi, Li Yue, Sun Peng, Xu Hao, Pan Likun, và cộng sự.
Đặc điểm kỹ thuật: Đối với cực âm lớp niken cao, suy thoái cơ học do áp suất được giảm thiểu thông qua kiểm soát chính xác kích thước hạt, pha tạp gradient thành phần, thiết kế cấu trúc lỗ rỗng và lớp phủ giao diện. Tổng quan này được công bố trên Acta Physico-Chimica Sinica.
2.4 Các lộ trình đổi mới cấu trúc tế bào pin
(1) Thiết kế pin đẳng hướng
Tên công nghệ: Thiết kế pin đẳng hướng (Isotropic Cell Design)
Nhóm nòng cốt: Nhóm nghiên cứu quốc tế
Đặc điểm kỹ thuật: Bằng cách sử dụng môi chất tạo áp suất dạng lỏng, pin chịu áp suất hoàn toàn đồng đều (tạo áp suất đẳng hướng), nhờ đó đạt được tiếp xúc bề mặt ổn định với tổng áp suất nhỏ hơn.
Chỉ tiêu đạt được: Pin túi thể rắn kim loại lithium đạt hiệu suất sạc siêu nhanh tuyệt vời ở áp suất thấp chỉ 2 MPa.
(2) Chiến lược phối hợp biến dạng
Tên công nghệ: Chiến lược phối hợp biến dạng
Nhóm nòng cốt: Công ty TNHH Công nghệ Guangnian Guke (Tô Châu), và cộng sự.
Đặc điểm kỹ thuật: Sử dụng cực âm FeS₂ và cực dương silicon tiền lithi hóa làm hệ mô hình, sự thay đổi thể tích được giải quyết thông qua thiết kế phối hợp biến dạng.
Các chỉ số thành tích: Đã đạt được chu kỳ dài ổn định ở mức 15 MPa và pin túi có thể hoạt động ổn định hơn 500 chu kỳ.
III. Tóm tắt so sánh các lộ trình kỹ thuật
Hiện nay, vận hành áp suất thấp của pin thể rắn sulfide đã đạt được những đột phá đa hướng trong kỹ thuật giao diện, cải tiến chất điện phân và thiết kế cấu trúc. Các nhóm Trung Quốc đang dẫn đầu quốc tế ở các chỉ số then chốt như áp suất ngoài bằng không (Hoàng Tuyết Kiệt và cộng sự) và pin dung lượng lớn 5 MPa (FAW × Viện Công nghệ Phương Đông). Áp suất đã giảm đáng kể từ trên 20 MPa xuống còn một chữ số hoặc thậm chí bằng không, và quy trình kỹ thuật đã tăng tốc rõ rệt, đặt nền tảng vững chắc cho việc sản xuất hàng loạt pin thể rắn hoàn toàn quy mô lớn.

IV. Ý nghĩa công nghiệp
Từ bức tranh kỹ thuật tổng thể trên, có thể thấy việc giảm áp suất vận hành của pin thể rắn sulfide đã hình thành mô hình đa hướng song song:
Thứ nhất, Trung Quốc đang ở vị trí dẫn đầu. Trong số tám lộ trình kỹ thuật chính nêu trên, các nhóm Trung Quốc dẫn đầu hoặc tham gia hơn một nửa, và đã đạt được đột phá ở hai chỉ số mang tính biểu tượng nhất: áp suất ngoài bằng không (nhóm của Hoàng Tuyết Kiệt) và pin dung lượng lớn ở mức 5MPa (FAW × Đại học Công nghệ Phương Đông).
Thứ hai, kỹ thuật giao diện hiện là hướng hoạt động tích cực nhất. Dù là giao diện đàn hồi ion, điều chỉnh anion hay giao diện polyrotaxane, cốt lõi đều là làm cho giao diện rắn-rắn "cứng nhắc" trở nên "đàn hồi" - có khả năng thích ứng với sự thay đổi thể tích mà không phụ thuộc vào áp suất ngoài.
Thứ ba, đang diễn ra sự đột phá từng bước từ "áp suất cao" xuống "áp suất thấp" rồi đến "áp suất bằng không". 5MPa (FAW), 2MPa (nhóm của Wu Fan, thiết kế đẳng hướng), 0,5MPa (giao diện trùng hợp tại chỗ), áp suất ngoài bằng không (nhóm của Hoàng Tuyết Kiệt, chất điện phân đàn hồi Đại học Nam Kinh) - sự giảm liên tục của các giá trị áp suất đang đẩy pin thể rắn hoàn toàn từ "hàng xa xỉ trong phòng thí nghiệm" thành "sản phẩm công nghiệp hóa".
Thứ tư, kỹ thuật là chiến trường then chốt của giai đoạn tiếp theo. Lý do đột phá của FAW thu hút nhiều sự chú ý không chỉ vì chỉ số 5MPa, mà còn vì nó chỉ rõ hướng tới pin dung lượng lớn và sản xuất hàng loạt quy mô lớn. Từ đột phá vật liệu đến đột phá pin, rồi đến đột phá tích hợp hệ thống, quá trình công nghiệp hóa pin thể rắn hoàn toàn sulfide đang tăng tốc bước vào làn đường nhanh.

Danh sách người tham dự Hội nghị Pin thể rắn SMM (một phần)

Lưu ý: Nếu bạn có bất kỳ chi tiết bổ sung nào cần thêm liên quan đến các điểm được đề cập trong bài viết này hoặc đang theo dõi sự phát triển của pin thể rắn, vui lòng liên hệ với chúng tôi bất cứ lúc nào. Thông tin liên hệ như sau:

Điện thoại: 021-20707860 (hoặc thêm WeChat 13585549799) Yang Chaoxing, xin cảm ơn!

Bài đọc liên quan