Công nghệ pin thể rắn là gì?

Câu hỏi

Pin thể rắn là gì? Công nghệ này có gì mà có thể thay đổi toàn bộ ngành công nghiệp xe điện, tác động sâu rộng đến mọi lĩnh vực của đời sống con người?

Pin thể rắn là pin sử dụng công nghệ chất điện phân rắn, thay thế cho chất điện phân lỏng. Với thiết kế pin thể rắn, cả điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân đều là những mảnh kim loại, hợp kim hoặc vật liệu tổng hợp ở thể rắn. Trong pin thể rắn, các cực dương, cực âm và chất điện phân được xếp thành ba lớp phẳng chồng lên nhau thay vì nhúng các điện cực trong chất điện phân lỏng.

Tại sao pin thể rắn ra đời là yêu cầu của thời đại?


Với thiết kế pin truyền thống – phổ biến nhất là loại pin lithium-ion – hai điện cực kim loại rắn đặt vào trong chất điện phân là muối lithium lỏng. Các hạt ion chuyển động từ điện cực âm sang điện cực dương khi pin sạc, và theo chiều ngược lại khi pin xả. Chất điện phân lỏng (muối lithium) là môi trường cho phép các hạt ion chuyển động qua lại giữa hai điện cực. Nhược điểm của loại pin này là thời gian sạc lâu, kích thước lớn, dung lượng pin nhỏ, an toàn kém dễ cháy nổ… Do đó cần thiết phải có một loại pin tốt hơn, khắc phục được những hạn chế của công nghệ cũ.

Pin thể rắn có ưu điểm gì mà được coi là công nghệ mang tính cách mạng?

Đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, đang dần trở nên phổ biến và cần thiết hơn.
Bạn có biết thực tế, pin thể rắn đầu tiên được trang bị trên máy điều chỉnh nhịp tim từ năm 1970, nhưng ý tưởng ứng dụng công nghệ này trong thiết bị tiêu thụ năng lượng nhiều hơn đã xuất hiện trong thập kỷ qua. Năm 2011, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ryoji Kanno thuộc Viện Công nghệ Tokyo phát hiện một loại vật liệu rắn giống thủy tinh có thể dẫn điện như dung dịch điện phân hiện nay.

Ngoài ra, chất điện phân rắn cho phép nhà sản xuất pin chế tạo cực dương của pin bằng kim loại Lithium, thay vì than chì. Lithium có thể chứa nhiều electron hơn than chì nên dung lượng pin thể rắn cao hơn 60% pin Lithium-ion cùng kích cỡ.

Thách thức lớn nhất trong để thương mại hóa loại pin này nằm ở giá thành.
So với loại pin sử dụng chất điện phân lỏng đang được sử dụng rộng rãi lithium-ion, pin sử dụng chất điện phân rắn hỗ trợ mật độ năng lượng lớn hơn, mở rộng khả năng dự trữ năng lượng và an toàn hơn. Tuy nhiên, cực dương của kim loại lithium được sử dụng trong pin ở trạng thái rắn có xu hướng kích hoạt sự phát triển của những tinh thể giống như kim có thể phát triển trên cực dương của pin trong khi sạc (còn gọi là dendrites), điều này có thể tạo ra các tác dụng phụ không mong muốn làm giảm tuổi thọ và độ an toàn của pin.

Để khắc phục những tác dụng phụ đó, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu của Samsung đã đề xuất sử dụng lớp hỗn hợp bạc-carbon làm cực dương cho pin. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc kết hợp một lớp Ag-C vào một viên pin nguyên mẫu cho phép pin hỗ trợ công suất cao hơn, vòng đời dài hơn và tăng cường độ an toàn nói chung. Với độ dày chỉ 5 micromet, lớp nanocompozit Ag-C siêu mỏng cho phép nhóm nghiên cứu giảm độ dày các cực và tăng mật độ năng lượng lên tới 900Wh/L. Nó cũng cho phép họ chế tạo vật mẫu nhỏ hơn khoảng 50 phần trăm so với pin lithium-ion thông thường.

Trong đó:
Wh: Watt hour (Watt-giờ) Là công suất điện tạo ra trong 1 giờ.
L: là dung tích của pin tính theo lít.

Công trình nghiên cứu đầy hứa hẹn này dự kiến sẽ thúc đẩy việc mở rộng ngành xe điện. Các viên pin nguyên mẫu mà nhóm phát triển cho phép xe điện tăng khả năng di chuyển tới 800km trong một lần sạc và có vòng đời dài hơn 1.000 lần sạc pin.

Kích thước nhỏ hơn, an toàn hơn, dung lượng lớn và sạc nhanh hơn.
Các nhà sản xuất có thể tạo ra những cục pin có kích cỡ nhỏ hơn nhưng có dung lượng chứa lớn hơn so với pin thể lỏng. Chưa kể, pin thể rắn cũng an toàn hơn cho người sử dụng vì chúng không chứa chất lỏng dễ cháy, độc hại và có tuổi thọ cao hơn. Đặc biệt, loại pin này còn có tốc độ sạc nhanh hơn nhiều bởi các ion trong thiết kế rắn có thể di chuyển nhanh hơn từ cực âm đến cực dương.
Theo những nghiên cứu mới nhất, pin thể rắn có dung lượng chứa cao hơn từ 2-5 lần, thời gian sạc nhanh hơn từ 6-10 lần so với pin thể lỏng có kích cỡ tương đương. Pin này giúp những chiếc xe điện sạc đầy pin trong khoảng 20 phút và di chuyển được quãng đường trên 500km. Điều này sẽ dễ dàng được người tiêu dùng đón nhận.

Đầu tư hàng chục tỷ đô cho công nghệ của tương lai.
Các nhà sản xuất ô tô đang đầu tư mạnh cho việc phát triển pin thể rắn bởi nhìn thấy tương lai rất sáng sủa. Tập đoàn Toyota đã đầu tư 13,9 tỷ USD vào nghiên cứu phát triển pin thể rắn và có kế hoạch thương mại hóa công nghệ này sau năm 2020. Toyota đã thử nghiệm mẫu xe ô tô đầu tiên chạy pin thể rắn từ cuối năm 2019. Tập đoàn Samsung đã tạo ra mẫu pin thể rắn, cho phép một chiếc ô tô điện đi với quãng đường lên tới 800 km chỉ trong một lần sạc và pin này có vòng đời hơn 1.000 lần sạc. Còn ProLogium (Đài Loan) đang hợp tác với các nhà sản xuất ô tô điện lớn trên thế giới, trong đó có vinfast, để thử nghiệm công nghệ pin mới và dự kiến sẽ đưa vào khai thác, sản xuất đại trà từ năm 2023 trở đi.

Ngoài ra, các tập đoàn lớn trên thế giới như Volkswagen, BYD, LG… cũng đang tập trung để thương mại hóa pin thể rắn. Khi thành công, pin thể rắn thực sự là cuộc cách mạng rộng khắp, cung cấp cho nhiều sản phẩm khác ngoài xe hơi như laptop, điện thoại di động, máy bay không người lái, phà tự hành,… Vì vậy, đây sẽ là công nghệ mang lại tiềm năng lớn, thâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống và đưa nhân loại bước sang giai đoạn phát triển mới.

Điều gì khiến pin thể rắn chưa thể trở nên phổ biến?

Giá thành cao.
Bởi pin thể rắn là một công nghệ mới xuất hiện và vẫn đang trong quá trình phát triển, nên chi phí sản xuất ra loại pin này cực kì tốn kém. Tuy nhiên khi các nhà sản xuất nhìn thấy tương lai của pin thể rắn và tham gia vào quá trình nghiên cứu sản xuất nhiều hơn, giá thành của pin thể rắn sẽ ngày càng giảm.

Công nghệ mới cần thời gian kiểm thử và cải tiến.
Một vấn đề khác đối với việc sản xuất pin thể rắn là vật liệu. Khác với pin truyền thống, chúng ta đã làm chủ kĩ thuật sản xuất và tính chất của các kim loại, hợp kim và muối tốt nhất để sử dụng cho loại pin này, thì đối với pin thể rắn, các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra các chất hoá học tối ưu dùng cho chất điện phân rắn giữa cực dương kim loại và cực âm. Các nghiên cứu đang tiến hành đang dần giải quyết được vấn đề này; tuy nhiên vẫn cần thời gian để thử nghiệm, thu thập các dữ liệu đáng tin cậy hơn trước khi các nhà sản xuất tiến hành khai thác vật liệu và đầu tư vào các dây chuyền sản xuất quy mô lớn.

Tương lai của công nghệ pin thể rắn sẽ ra sao?


Không chỉ ở Việt Nam, trên toàn thế giới, pin vẫn là 1 điểm yếu lớn nhất của ô tô điện. Đòi hỏi năng lượng đủ cho vận hành quãng đường dài là 1 thách thức mà các hãng công nghệ đang tập trung giải quyết.

Một trong những cấu phần quan trọng nhất của ô tô điện là bộ pin trữ năng lượng. Hiện toàn bộ xe điện đều sử dụng công nghệ pin lithium, hay còn gọi là pin thể lỏng. Với thiết kế có hai điện cực kim loại rắn, đặt vào trong chất điện phân là muối lithium lỏng. Khi sạc, các hạt ion chuyển động từ điện cực âm sang điện cực dương và khi xả thì theo chiều ngược lại.

Tuy nhiên, khả năng trữ năng lượng của các loại pin này được cho là đã tới hạn. Nếu muốn tăng dung lượng chứa, khối lượng của pin sẽ trở nên lớn hơn, dẫn tới chi phí cao và khả năng vận hành kém. Không những thế, với pin thể lỏng, thời gian nạp đầy năng lượng kéo dài, không phù hợp với cuộc sống hiện đại vốn gấp gáp.

Để ô tô điện có thể thương mại hóa thành công và hấp dẫn hơn với người tiêu dùng, bộ pin cần phải tăng năng lượng, chạy được quãng đường dài hơn trong mỗi lần sạc, thời gian sạc nhanh hơn, có giá thành thấp và an toàn. Giải quyết những vấn đề này, các nhà sản xuất ô tô đang hướng tới công nghệ pin thể rắn. Bằng chứng là đã có hàng chục tỷ đô la được các tập đoàn lớn đổ vào nghiên cứu và phát triển công nghệ pin thể rắn, nhằm sớm thương mại hóa sản phẩm mang tính cách mạng này. Chúng ta hãy cùng chờ xem nhé!

Thongthai.vn 110 xem Master

Trả lời câu hỏi