Pin thể rắn là gì?

Pin lithium-ion mà bạn sử dụng trong điện thoại, máy tính xách tay, ô tô điện có chất điện phân dạng lỏng. Pin thể rắn, đúng như tên gọi của nó, là loại pin sử dụng chất điện phân dạng rắn, thay vì chất điện phân dạng lỏng hoặc dạng gel, thường có trong pin lithium-ion.

Pin lithium-ion thường có điện cực than chì, điện cực oxit kim loại và chất điện phân là muối lithium hòa tan trong một số loại dung môi. Chất điện phân nằm ở giữa cực âm (cathode) và cực dương (anode), cho phép các ion lithium di chuyển giữa hai điện cực, cuối cùng, thành phần này cung cấp năng lượng cho các thiết bị của bạn.

Cấu trúc tổng thể của pin thể rắn khá giống pin lithium-ion thông thường. Pin thể rắn hoạt động theo cùng một nguyên lý, cũng tiêu thụ năng lượng và sạc lại theo cùng cách như pin lithium-ion truyền thống. Nhưng thành phần pin thể rắn sẽ làm cho pin đặc và nhỏ gọn hơn, chứa nhiều năng lượng hơn. Điều đó có nghĩa là xe điện có thể nhẹ hơn, đi xa hơn với dung lượng pin lớn hơn.

Pin thể rắn không phải là thứ mới mẻ, nhưng việc sử dụng chúng trong một ứng dụng kích thước lớn, như trong ô tô thì mới mẻ. Việc sử dụng chất điện phân dạng rắn sẽ giúp pin thể rắn tiết kiệm không gian ô tô, do diện tích chiếm dụng nhỏ hơn so với pin lithium-ion truyền thống. Trong cùng một không gian mà pin lithium-ion cần dưới xe, pin thể rắn có dung lượng lớn hơn gấp 2 lần.

Pin thể rắn có ưu điểm gì?

● Mật độ năng lượng cao hơn. Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion tiêu chuẩn, nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một thể tích. Điều này giúp xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn, hoặc điện thoại thông minh sử dụng lâu hơn chỉ với một lần sạc. Kèm theo đó là pin nhỏ hơn, nhẹ hơn, thích hợp cho các thiết bị di động.

● Sạc nhanh hơn. Pin thể rắn có thể sạc nhanh hơn pin có chất điện phân dạng lỏng, khiến chúng phù hợp hơn với xe điện và các ứng dụng khác mà việc sạc nhanh là cần thiết.

● An toàn hơn. Các loại pin sạc đều gặp phải tình trạng gọi là hình thành dendrite. Nó hơi giống như sự tích tụ mảng bám trên răng, nhưng là bám trên điện cực. Việc sạc và xả liên tục khiến các hạt ion hình thành cấu trúc trên bề mặt điện cực. Nếu cấu trúc này quá dài và gặp nhau, có thể khiến pin bị đoản mạch hoặc tệ hơn là bắt lửa. Trong pin thể rắn, chất điện phân dạng rắn (như thủy tinh, gốm, polymer rắn, sunfua hoặc vật liệu khác), ổn định hơn, ngăn chất lỏng rung lắc trong pin, nên ít bắt lửa, ít gây cháy nổ. Chúng phù hợp sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến vấn đề an toàn, chẳng hạn như xe điện và máy bay không người lái.

● Tránh quá nhiệt. Pin ngày nay cần kiểm soát nhiệt rất nhiều. Pin thể rắn có khả năng chịu được nhiệt tốt hơn, do đó chúng có thể sạc nhanh và sử dụng toàn bộ các tế bào pin hiệu quả hơn. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu phát hiện nhiệt sinh ra từ quá trình sạc nhanh làm tăng độ dẫn ion. Điều đó dường như ức chế sự phát triển của các cấu trúc dendrite, nghĩa là cấu trúc trở nên ít nhọn hơn và ngắn hơn!

Pin thể rắn khi nào có trên thị trường?

Pin thể rắn vẫn đang trong quá trình phát triển và vẫn còn một số thách thức phải vượt qua trước khi chúng được sử dụng rộng rãi.

Giống như các công nghệ mới nổi, pin thể rắn hiện nay rất đắt để sản xuất so với pin lithium-ion thông thường vì pin thể rắn sử dụng vật liệu đắt và phức tạp hơn, khiến chúng khó sản xuất trên quy mô lớn. Theo cách sản xuất pin hiện nay, nếu các nhà khoa học muốn thay đổi vật liệu của cực dương hoặc cực âm, điều đó có thể đơn giản. Tuy nhiên, việc thay đổi chất điện phân không hề dễ dàng, bởi chi phí khá cao.

Các lợi thế được cho là tiềm năng, chẳng hạn như tuổi thọ dài hơn, sạc nhanh hơn, mật độ năng lượng cao hơn, vẫn chưa được các nhà khoa học chuyển hóa hoàn toàn vào trong các sản phẩm thương mại.

Hầu hết các phát triển về pin thể rắn cho đến nay vẫn chỉ ở cấp độ phòng thí nghiệm. Những lợi ích rõ ràng khiến các công ty ô tô đổ tiền vào nghiên cứu pin thể rắn. Điều đó có nghĩa là sẽ phải mất nhiều thời gian nữa trước khi pin thể rắn có mặt trên ô tô điện.

Tuy nhiên, nhiều chuyên gia tin rằng pin thể rắn cuối cùng sẽ trở thành tiêu chuẩn trong lĩnh vực xe điện. Các hãng ô tô lớn đều đang đặt mục tiêu sớm bán chiếc ô tô điện đầu tiên của mình chạy bằng pin thể rắn trước năm 2030.