Blog

1. Khẳng định tầm quan trọng và nhu cầu phân tích

Pin lithium-ion (LIB) đã trở thành một công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, từ các thiết bị di động như điện thoại, máy tính xách tay, đến dụng cụ không dây và những phương tiện giao thông điện (EV) tiên tiến. Ngày càng tăng cao về công suất và độ phức tạp đặt ra yêu cầu về độ tin cậy và hiệu suất hoạt động ngày càng khắt khe hơn. Trong chu trình sạc/xả, sự di chuyển của ion lithi từ điện cực này sang điện cực kia thông qua chất điện phân gây ra những thay đổi cấu trúc đáng kể, đôi khi không thể đảo ngược, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng và tuổi thọ của LIB. Việc theo dõi và phân tích các biến động này, đặc biệt là những thay đổi vi cấu trúc hay hóa học, trở nên hết sức cần thiết nhằm cải thiện thiết kế và nâng cao chất lượng sản phẩm. Một trong những công cụ đắc lực cho việc đó chính là phổ Raman—một kỹ thuật nhanh, không tiếp xúc, không gây tổn hại mẫu, cho phép quan sát tức thì trong quá trình hoạt động, từ đó phục vụ từ nghiên cứu, phát triển đến kiểm soát chất lượng tự động.

2. Phân tích điện cực âm (Cathode) – Hiện trạng và cách tiếp cận

2.1 Vật liệu phổ biến: LiCoO₂ (Lithium Cobalt Oxide)

• Cathode phổ biến nhất là LiCoO₂ (LCO), có cấu trúc lớp tại cấu trúc bát diện cobalt-oxygen. Trong quá trình sạc/xả, ion lithium được phản hồi qua quá trình intercalation và de-intercalation qua các lớp oxit.
• Nếu pin bị xả quá mức (over-discharging), LiCoO₂ có thể phân hủy không thể đảo ngược thành Li₂O và CoO; nếu sạc quá mức (over-charging), LiCoO₂ có thể chuyển thành CoO₂. Các biến đổi này có thể được phát hiện rõ rệt nhờ phổ Raman, cho thấy bản đồ Raman rõ ràng về sự hiện diện của CoO₂ trên cathode sau chu trình sạc/xả.

2.2 Các vật liệu thay thế tiềm năng

• Ngoài LCO truyền thống, các vật liệu đang được nghiên cứu bao gồm: Li(Ni, Mn, Co)O₂ (NMC), LiMn₂O₄ và Li₂TiO₃.
• Phổ Raman có thể phân biệt các mẫu phổ đặc trưng của từng vật liệu, giúp đánh giá biến đổi cấu trúc và hóa học. Đây là một công cụ hiệu quả cho việc tối ưu hóa vật liệu cathode trong các thế hệ pin tương lai.

3. Phân tích điện cực dương (Anode) – Tình trạng và chỉ báo tổn hại

3.1 Hiện trạng vật liệu: Graphite

• Graphite là vật liệu anode phổ biến nhất. Tuy nhiên, qua nhiều chu trình sạc/xả, graphite có thể xảy ra biến đổi cấu trúc, hình thành khuyết tật vi mô.
• Trong phổ Raman, tỷ lệ I_D / I_G (cường độ phổ D so với phổ G) là chỉ số đo mức độ tổn hại cấu trúc: I_D tăng so với I_G phản ánh sự hư hỏng cấu trúc graphite.

3.2 Hình ảnh Raman – Bản đồ tổn hại và thành phần

• Bản đồ Raman có thể phân biệt vùng có ít khuyết tật (màu xanh nhạt), vùng tổn hại cao (xanh đậm), và vùng liên kết với chất kết dính (resin binder) – thường biểu hiện màu cam. Điều này giúp đánh giá trực quan và định lượng mức độ hao mòn của anode theo không gian.
• Bản đồ Raman có thể phân biệt vùng có ít khuyết tật (màu xanh nhạt), vùng tổn hại cao (xanh đậm), và vùng liên kết với chất kết dính (resin binder) – thường biểu hiện màu cam. Điều này giúp đánh giá trực quan và định lượng mức độ hao mòn của anode theo không gian.

4. Công dụng và tiềm năng ứng dụng của phổ Raman

4.1 Các giai đoạn ứng dụng

• R&D: Phân tích vật liệu mới, thử nghiệm cấu trúc và thành phần để tối ưu hóa hiệu suất pin.
• Phân tích lỗi (Failure analysis): Xác định nguyên nhân suy giảm hiệu năng, hư hỏng cơ học hay hóa học trong pin.
• Kiểm tra chất lượng tự động: Tích hợp phổ Raman trong dây chuyền sản xuất để kiểm soát chất lượng điện cực theo thời gian thực.

4.2 Lợi ích kỹ thuật

• Nhanh, không tiếp xúc, không gây ảnh hưởng mẫu.
• Cho phản hồi tức thì về trạng thái điện cực trong quá trình hoạt động.
• Thông tin phong phú, cho phép phân tích cả cấu trúc và thành phần ở mức chi tiết.

4.3 Triển vọng mở rộng

• Tích hợp phổ Raman với các kỹ thuật quang học khác như hồng ngoại (IR), phổ Raman khúc xạ/đặc biệt để có cái nhìn toàn diện hơn về cơ chế hoạt động và thoái hóa pin.
• Phát triển hệ thống đo tự động hóa kết hợp machine learning để phân tích dữ liệu phổ lớn, từ đó đưa ra dự đoán tuổi thọ hoặc sự cố tiềm ẩn của pin.
• Mở rộng ứng dụng sang pin thế hệ mới như thể rắn (solid-state batteries) hoặc pin dùng vật liệu thay thế (e.g., lithium-sulfur), nơi phổ Raman có thể đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu và kiểm soát chất lượng.

5. Vai trò then chốt của phổ Raman trong tương lai LIB

Với sự cần thiết ngày càng tăng về hiệu suất, độ tin cậy và an toàn của pin lithium-ion, phổ Raman hiện đang nổi bật là công cụ phân tích mạnh mẽ và toàn diện. Kỹ thuật này không chỉ giúp hiểu rõ tác động của chu trình sạc/xả lên vật liệu cathode và anode, mà còn mở ra cơ hội thúc đẩy R&D, kiểm soát sản xuất, và cải thiện chất lượng pin trong các ứng dụng thực tế. Tương lai của nguồn năng lượng di động và xe điện sẽ phụ thuộc nhiều vào những phương pháp đo lường tinh vi như vậy — nơi phổ Raman chắc chắn sẽ tiếp tục giữ vị trí trung tâm.

Tài liệu tham khảo:

1. R. Baddour-Hadjean và JP Pereira-Ramos (2009). Phổ Raman vi mô ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu điện cực cho pin lithium.  Chemical Reviews , 110(3), tr.1278–1319. https://doi.org/10.1021/cr800344k .
2. Sethuraman, VA, et al . (2010). Sự rối loạn cấu trúc bề mặt trong than chì khi xen kẽ/giải xen kẽ liti.  Tạp chí Nguồn điện , 195(11), tr.3655–3660. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.12.034 .
3. R. Kostecki, J. và cộng sự . (2025).  Radware Bot Manager Captcha . (trực tuyến) Có tại: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.2170551/meta  (Truy cập ngày 7 tháng 8 năm 2025).
4. Kostecki, R., et al . (2001). Các chế độ hỏng hóc trong pin lithium-ion công suất cao dùng cho xe điện hybrid.  OSTI OAI (Văn phòng Thông tin Khoa học và Kỹ thuật, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ) .  https://doi.org/10.2172/861953 .
5. Viện Paul Scherrer, https://www.psi.ch/en/lec
6. Chương trình Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng Berkley cho Giao thông Vận tải và Năng lượng Tái tạo, https://www.lbl.gov/research/energy-storage/