Công nghệ pin thể rắn sẽ thay đổi thế giới

Liệu pin thể rắn có tốt hơn các loại pin truyền thống, như lithium-ion?

Xu hướng hình thành các sợi lithium và tính dễ bắt lửa vốn có của chất lỏng điện phân, tạo ra một quả bom hẹn giờ tích tắc và khiến các loại pin này tự phát cháy. Đây là lúc mà pin thể rắn cung cấp mức độ an toàn cao hơn nhiều. Ví dụ, việc sử dụng những thứ như chất thay thế chất điện phân bằng gốm, ít có khả năng bắt cháy hơn nhiều.

Vật liệu gốm cũng giúp ngăn chặn sự hình thành các sợi lithium, về mặt lý thuyết, có thể cho phép các loại pin này hoạt động ở dòng điện cao hơn nhiều so với các loại pin lithium-ion tương đương. Tuy nhiên, gốm sứ cũng rất giòn, có thể gặp sự cố trong quá trình vận hành và sản xuất.

Một giải pháp cho vấn đề bao gồm ngâm tẩm gốm sứ với các hạt nano graphene. Điều này không chỉ làm tăng độ bền của chất điện phân gốm mà còn giúp duy trì độ dẫn ion của chúng. Hãy nhớ rằng, chất điện phân tốt nhất dẫn các ion chứ không phải điện.

Loạt thí nghiệm trong lĩnh vực này do một số nhóm nhà khoa học như tại Đại học Brown tiến hành chỉ ra rằng dung dịch này có thể tăng gấp đôi độ bền của chất điện phân gốm trong khi vẫn duy trì tiện ích như một chất điện phân và chất phân tách pin thể rắn tiềm năng.

Một số lựa chọn khác bao gồm sử dụng cực âm hữu cơ kết hợp với pin natri-ion trạng thái rắn. Điều này rất thú vị vì pin natri-ion hiện tại, trong khi ở trạng thái rắn, có xu hướng thiếu mật độ năng lượng của pin lithium-ion.

Một vấn đề khác với loại pin thể rắn là lớp tinh thể natri không hoạt động có xu hướng tích tụ trên cực âm ngăn chặn sự chuyển động của các ion natri và giết chết pin. Bằng cách sử dụng cực âm làm bằng pyrene -4,5,9,10-tetraone (PTO), nhóm nghiên cứu từ Đại học Houston phát hiện loại cực âm này mang lại nhiều ưu điểm hơn so với cực âm vô cơ, truyền thống hơn.

Ví dụ, việc sử dụng PTO cho phép giao diện điện trở giữa cực âm và chất điện phân thực sự được đảo ngược. Điều này có ý nghĩa lớn đối với sự ổn định và tăng tuổi thọ những loại pin như vậy, đồng thời cải thiện mật độ năng lượng.

Bằng cách cho phép tiếp xúc chặt chẽ giữa cực âm cứng và chất điện phân rắn, bất kể sự thay đổi đường kính của cực âm trong quá trình quay của pin, điều này có thể chứng tỏ là một yếu tố thay đổi trò chơi đối với pin trạng thái rắn. Nhiều nhóm nghiên cứu khác đang nghiên cứu để tìm ra cách giải quyết các vấn đề cố hữu của công nghệ này.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học bang Washington (WSU) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) tìm ra cách ngăn chặn sự tích tụ natri không hoạt động trên catot. Họ phát hiện việc tạo ra một cực âm oxit kim loại được tẩm thêm các ion natri cho phép tạo ra dòng điện không bị cản trở.

Điều này có thể chứng minh tính cách mạng, vì nó sẽ cho phép sản xuất pin natri-ion ngang bằng với các giải pháp thay thế lithium-ion. Trên thực tế, sau hơn 1.000 chu kỳ sạc lại, giải pháp này vẫn giữ được khoảng 80% mật độ năng lượng của nó. Trong khi nhiều loại pin thể rắn, như đã đề cập trước đây, được coi là lựa chọn thay thế tốt hơn cho pin lithium-ion, nhưng có thể có điều gì đó thỏa hiệp ở phía trước - pin lithium thể rắn.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Michigan tìm cách tích hợp chất điện phân gốm rắn vào pin lithium-ion và chứng minh sự cải thiện rõ rệt về độ bền và tuổi thọ so với các loại pin Li-ion thông thường khác. Cách tiếp cận này cũng có thể tăng tốc độ sạc của pin.

Nhiều nhà nghiên cứu khác cũng có những bước đột phá trong việc sản xuất pin lithium thể rắn có thể in 3D. Nếu được mở rộng quy mô sản xuất, sự đổi mới này có thể cho phép sản xuất pin lithium-ion rẻ hơn và ít lãng phí hơn, vốn cũng có những lợi ích của các loại pin SSB khác (như an toàn, tăng mật độ năng lượng, v.v.).

Tất cả đều tốt, nhưng những loại pin này vẫn dựa vào lithium-ion - rất hiếm và không phải là vật liệu sạch nhất để khai thác và tinh chế. Đây là một điểm khác biệt lớn giữa pin lithium-ion và các loại pin thay thế ở trạng thái rắn - tác động vốn có của chúng đối với môi trường.

Pin lithium-ion yêu cầu một số thành phần khá độc hại, cụ thể là coban và rõ ràng là lithium. Những vật liệu này tương đối hiếm, đắt tiền để chiết xuất và tinh chế, và tất cả thường được khai thác từ khu mỏ ở số quốc gia hoặc khu vực nghèo, những nơi mà hầu như không quan tâm đến sức khỏe người lao động hoặc môi trường.

Mặt khác, pin thể rắn có xu hướng sử dụng những thành phần phổ biến hơn và ít độc hại hơn, chẳng hạn như natri. Được tìm thấy nhiều trong nước mặn, việc khai thác natri ít gây hại cho môi trường hơn. Đó là một khi công nghệ này có thể được tinh chỉnh để cạnh tranh về chi phí hợp lý với các loại pin lithium-ion.

Các ứng dụng tiềm năng của pin thể rắn là gì?

Một trong những ứng dụng chính cho pin thể rắn thành công sẽ là trong ngành công nghiệp xe điện (EV). Pin thể rắn có khả năng giảm trọng lượng, tăng độ tin cậy, phạm vi hoạt động, an toàn và giảm tốc độ sạc lại so với pin lỏng. Tổng hợp lại, những lợi thế này sẽ cách mạng hóa ngành công nghiệp xe điện một cách hiệu quả. Hệ thống pin là trái tim của EV, nó có kích thước lớn và được lắp đặt dưới gầm sàn xe. EV hiện nay dùng công nghệ pin lithium-ion, loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần.

Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả. Pin xe EV thường có hiệu điện thế vào khoảng 400V, đây là một trong những vấn đề kỹ thuật chính khiến cho EV vẫn chưa phổ biến, khi lượng năng lượng mà pin có thể chứa sau mỗi lần sạc khá khiêm tốn so với bình xăng thông thường và thời gian sạc cũng lâu hơn so với thời gian đổ đầy bình xăng. Giá thành của pin gần như đã chiếm đến 1/3 giá thành của một chiếc EV.

Với doanh số bán xe điện dự kiến đạt 32% tổng thị trường ô tô năm 2030, động lực để sử dụng pin hiệu quả hơn, đáng tin cậy hơn và bền vững hơn đang tăng lên nhanh chóng. Điều này đặt ra một nhu cầu lớn về nguồn cung cấp lithium trên toàn thế giới và có khả năng làm tăng chi phí sản xuất pin mới trong tương lai (trừ khi các cách để tái chế pin Li-on cũ một cách an toàn và đáng tin cậy được phát triển).

Để khắc phục sự tắc nghẽn tiềm ẩn này trong việc cung cấp pin, nhiều công ty ôtô đang chọn các giải pháp thay thế rẻ hơn, bền vững hơn - như pin thể rắn. Một ví dụ đáng chú ý là pin làm từ muối. Là một loại pin gần như trạng thái rắn (QSS), những pin thí nghiệm này sử dụng muối làm chất điện phân và chất phân tách của pin. Giải pháp này rất thú vị vì nó có khả năng rất an toàn, “xanh”, giá cả phải chăng và có thể tái chế hoàn toàn.

Cuộc đua không của riêng ai

Theo Future Bridge (công ty phân tích của Hà Lan), pin thể rắn sẽ có mức giá bán tương đương với pin Litthium-ion vào năm 2025, mở ra tương lai sáng cho công nghệ này. Đó có thể là một cột mốc dành cho ngành công nghiệp xe điện, SSB không chỉ cho phép sạc nhanh hơn, mà còn tăng tuổi thọ của pin cũng như an toàn vượt trội.

Dù dự đoán đến năm 2030, pin thể rắn mới bắt đầu được thương mại hóa cho xe điện nhưng điều đó có thể đến sớm hơn nhờ vào nỗ lực từ nhiều công ty hiện nay. Future Bridge cho biết nghiên cứu về công nghệ pin thể rắn đang tăng tốc khi ngày càng có nhiều công ty tham gia vào cuộc đua.

Phân tích của công ty này cho thấy trong năm 2020 đã có 426 hồ sơ bằng sáng chế được công bố liên quan đến pin thể rắn. Trung Quốc và Mỹ dẫn đầu về hoạt động cấp bằng sáng chế cho công nghệ này với 21%, tiếp theo là Nhật Bản với 18%.

Trong khi đó, Toyota, Panasonic, Nippon, Hyundai, Murata Manufacturing và LG Chem là những công ty tích cực nhất. Các nhà sản xuất ôtô chiếm 28% số lượng bằng sáng chế liên quan đến pin thể rắn, dẫn đầu là Toyota, Hyundai và Honda. 72% số hồ sơ còn lại đến từ các công ty khác nhau như: nhà sản xuất pin, nhà cung cấp linh kiện ôtô, công ty hóa chất và viện nghiên cứu.

Với việc xe điện được coi là một phần quan trọng trong nỗ lực toàn cầu nhằm đạt tới mức phát thải carbon bằng 0, các nhà sản xuất ôtô khác đang đặt cược vào công nghệ pin tiên tiến - mới đây nhất Ford Motor đã bổ sung khoản đầu tư vào công ty khởi nghiệp pin thể rắn Solid Power.

Cùng với Ford, BMW cũng rót 130 triệu USD vào công nghệ này khi Solid Power có kế hoạch cung cấp cho các nhà sản xuất ôtô nói trên những mẫu pin thể rắn để thử nghiệm thực tế trên xe của họ trong năm 2022. Với việc nhiều chuyên gia tin rằng chúng ta đang gần đến thời kỳ bình minh của việc tiêu thụ EV hàng loạt trên toàn thế giới. Giờ có thể là lúc để pin thể rắn tỏa sáng.