Công nghệ pin đang thay đổi nhanh chóng, nhằm giúp lưu trữ nhiều năng lượng hơn, tuổi thọ cao hơn và sạc nhanh hơn. Một trong những ý tưởng được thảo luận nhiều nhất là pin thể rắn, loại pin thay thế chất lỏng bên trong pin lithium-ion thông thường bằng vật liệu rắn, để pin an toàn hơn.

Pin thể rắn là gì?

Pin thể rắn thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn để an toàn hơn và đạt mục tiêu mật độ 400-500 Wh/kg. Nguyên mẫu cực dương bạc-carbon (Ag-C) của Samsung đạt được mật độ 500 Wh/kg, thời gian sạc 9 phút và hơn 1.500 chu kỳ sạc/xả nhờ hạn chế sự hình thành các gai sắc nhọn (dendrite).      

Chất điện phân rắn không dễ bắt lửa, làm giảm nguy cơ cháy nổ. Pin thể rắn cũng cho phép mật độ năng lượng cao hơn, nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn. Điều này làm cho chúng trở nên hấp dẫn đối với xe điện, các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính xách tay.

Hơn nữa, pin thể rắn có thể giúp giảm lượng khí thải carbon của pin xe điện so với pin lithium-ion hiện nay. Nghiên cứu cho thấy, thiết kế thể rắn có thể giảm lượng khí thải của pin khoảng 24% và lên đến 39% nếu sử dụng các vật liệu và nguồn cung ứng bền vững hơn.

Điều đó có nghĩa lượng khí thải nhà kính tạo ra trong quá trình sản xuất và sử dụng pin sẽ ít hơn, giúp tăng lợi ích về khí hậu của xe điện so với xe chạy xăng. Sự giảm thiểu này chủ yếu do pin thể rắn cần ít nguyên liệu thô hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Do đó, chúng lưu trữ nhiều năng lượng hơn và tác động đến môi trường ít hơn so với pin thông thường.

Một số nhà sản xuất ô tô và nhà phát triển pin, hiện đang thử nghiệm phát triển pin thể rắn. Các dự đoán cho rằng, xe điện sử dụng loại pin này sẽ xuất hiện vào cuối những năm 2020. Các thử nghiệm ban đầu cho thấy chúng an toàn hơn và sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion hiện tại.

Vai trò của bạc trong hiệu suất pin thế hệ tiếp theo

Bạc dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt, giúp pin hoạt động hiệu quả hơn. Mỗi pin thể rắn 100 kWh có thể sử dụng khoảng 1 kg bạc. Bạc cũng giúp cải thiện tuổi thọ pin và tốc độ sạc. Một số nguyên mẫu pin có thể sạc đầy trong vòng chưa đến 10 phút và hoạt động đến 20 năm với độ hao mòn ít nhất.

Trong pin thể rắn bạc, hợp chất bạc-carbon (Ag-C) được dùng ở cực dương. Cực dương là nơi giải phóng electron khi pin cung cấp năng lượng cho thiết bị. Bạc giúp các ion di chuyển trơn tru và ngăn sự hình thành các gai sắc nhọn (dendrite). Dendrite có thể làm hỏng pin và giảm tuổi thọ.

Các ưu điểm của bạc trong pin thể rắn bao gồm:

● Mật độ năng lượng cao hơn (khoảng 500 Wh/kg) so với 270 Wh/kg trong pin xe điện tiêu chuẩn.

● Ion di chuyển nhanh hơn và giảm sự hình thành dendrite.

● Tuổi thọ cao hơn, hoạt động an toàn hơn.

Pin thể rắn bạc tác động đến xe điện như thế nào?

Pin sạc nhanh và tuổi thọ cao hơn là yếu tố thiết thực với nhiều người mua xe điện. Nỗi lo hết pin là một rào cản đối với việc sử dụng xe điện hiện nay. Chính vì thế, các nhà sản xuất xe điện luôn muốn pin có tuổi thọ cao, sạc nhanh hơn và cung cấp phạm vi di chuyển xa cho mỗi lần sạc.

Một số ước tính cho thấy, pin thể rắn bạc có thể cung cấp phạm vi di chuyển của xe điện lên đến 900 km hoặc hơn chỉ với một lần sạc. Chúng cũng có thể giảm trọng lượng, kích thước so với các pin hiện tại. Các thử nghiệm nguyên mẫu và sản xuất ban đầu cho thấy điều này là khả thi.

Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt sẽ cần thời gian. Các vật liệu và hệ thống sản xuất cần thiết cho pin thể rắn vẫn đang được phát triển. Nhiều nhà sản xuất ô tô đang đặt mục tiêu đến cuối những năm 2020 sẽ sản xuất thương mại rộng rãi hơn.

Thách thức và triển vọng của pin thể rắn bạc

Sản xuất pin thể rắn bạc gặp phải nhiều thách thức. Giá bạc khá cao và kim loại này đắt hơn các vật liệu khác. Các nhà phát triển đang tìm cách sử dụng ít bạc hơn hoặc pha trộn nó với vật liệu khác để giảm chi phí. Nguồn cung không đáp ứng kịp thời, điều này có thể đẩy giá lên cao hơn.

Nguồn cung cũng là một vấn đề. Bạc có hạn và các ngành công nghiệp khác cũng cần đến nó. Hiện nay, nhu cầu vượt quá sản lượng khai thác. Việc bổ sung bạc vào pin thể rắn càng làm tăng nhu cầu. Nếu mỗi pin xe điện sử dụng khoảng 1 kg bạc và hàng triệu xe điện sử dụng loại pin này, nhu cầu có thể tăng thêm hàng nghìn tấn mỗi năm.

Nhưng bất chấp các thách thức này, nghiên cứu về pin thể rắn bạc vẫn đang tiến triển. Các kỹ sư tiếp tục cải tiến chất điện phân rắn và cực dương gốc bạc. Nếu chi phí sản xuất giảm, pin thể rắn bạc có khả năng trở nên phổ biến trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng trong tương lai.