Mục lục
Pin thể rắn là gì?
Pin thể rắn (Solid-state battery) là một loại pin sử dụng công nghệ trạng thái rắn, sử dụng các điện cực rắn và chất điện phân rắn, thay vì chất điện phân lỏng hoặc gel polymer như trong pin Lithium-ion (Li-on) hay pin Lithium Polymer (Li-Po).
Cách hoạt động của pin thể rắn
Pin thể rắn (Solid-state battery) hoạt động giống như bất kỳ loại pin nào khác. Chúng lấy năng lượng vào, lưu trữ và giải phóng năng lượng cho các thiết bị. Sự khác biệt là các vật liệu bên trong.
Trong quá trình xả, các ion dương di chuyển từ cực âm qua chất điện phân đến cực dương. Trong quá trình sạc, quá trình ngược lại xảy ra.
Cụ thể hơn:
- Mỗi pin bao gồm một điện cực âm (anode), một điện cực dương (cathode) và một chất điện phân rắn (electrolyte). Điện cực âm và dương là những nơi xảy ra các phản ứng hóa học tạo ra các ion lithium và các electron.
- Khi pin được sạc, các ion lithium di chuyển từ điện cực dương qua chất điện phân rắn đến điện cực âm, trong khi các electron di chuyển qua một mạch bên ngoài. Khi pin được sử dụng, quá trình này đảo ngược, các ion lithium di chuyển từ điện cực âm qua chất điện phân rắn đến điện cực dương, trong khi các electron di chuyển qua mạch bên ngoài để cung cấp năng lượng cho thiết bị.
- Chất điện phân rắn có vai trò quan trọng trong pin thể rắn, vì nó phải có khả năng dẫn ion lithium tốt, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất, và không gây phản ứng với các điện cực. Một số loại chất điện phân rắn được nghiên cứu và sử dụng cho pin thể rắn là gốm, polymer, sulfua và kính.
Ưu điểm và nhược điểm của Pin thể rắn so với Pin Lithium-Ion
Ưu điểm
Pin lithium ion, được sử dụng trong xe điện ngày nay, có dung dịch điện phân chất lỏng được kẹp ở giữa cực âm và cực dương của chúng (xem khoảng trống ở giữa trong hình trên). Ngoài ra, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn. Pin thể rắn có nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion, như an toàn hơn, có điện áp cao hơn, dung lượng lớn hơn, và tuổi thọ dài hơn.
An toàn hơn
Pin thể rắn không chứa chất điện phân lỏng, nên không có nguy cơ bị rò rỉ, bốc cháy, hoặc nổ. Pin cũng có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn và không cần hệ thống làm mát phức tạp.
Có điện áp cao hơn
Pin thể rắn có thể đạt được điện áp cao hơn so với pin lithium-ion, do sự khác biệt về hóa học và cấu trúc của các điện cực và chất điện phân. Điều này có nghĩa là pin có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một kích thước và trọng lượng.
Dung lượng lớn hơn
Pin thể rắn có thể sử dụng kim loại lithium làm cực âm, thay vì than chì như trong pin lithium-ion. Kim loại lithium có khả năng lưu trữ ion dương cao hơn và cho phép dòng điện xả mạnh hơn. Do đó, pin có thể tăng dung lượng từ 2 đến 10 lần so với pin lithium-ion.
Tuổi thọ dài hơn
Trên lý thuyết và thử nghiệm, pin thể rắn không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng nhớ, tức là việc không xả hết pin trước khi sạc lại không làm giảm dung lượng của pin. Pin cũng ít bị tự xả và ít bị suy giảm hiệu suất khi sử dụng nhiều lần.
Một số nghiên cứu cho thấy pin thể rắn có thể sạc và xả hàng chục nghìn lần mà không mất dung lượng đáng kể. Đại học Harvard đã phát triển một loại pin lithium thể rắn mới có thể sạc đầy trong 3 phút và có tuổi thọ hơn 10.000 chu kỳ: Xem thêm bài gốc Battery breakthrough for electric cars
Nhược điểm
Tuy nhiên, pin thể rắn cũng gặp nhiều thách thức trong việc sản xuất quy mô lớn, giảm chi phí, và đảm bảo độ bền và ổn định.
Pin thể rắn đã được phát triển từ lâu nhưng chỉ mới được áp dụng cho các thiết bị nhỏ như đồng hồ thông minh, máy tạo nhịp tim, và thẻ RFID. Hiện nay, nhiều công ty và tổ chức nghiên cứu đang phát triển pin thể rắn cho các ứng dụng lớn hơn như xe điện, xe lai, và lưu trữ năng lượng.
Chi phí cao
Pin thể rắn hiện tại rất đắt để sản xuất quy mô lớn, do yêu cầu về công nghệ, thiết bị, và nguyên liệu cao cấp. Các chất điện phân rắn thường khó gia công và kết dính với các điện cực, gây ra các khe hở có thể làm giảm hiệu suất của pin. Các vật liệu rắn cũng khó co giãn theo các biến đổi nhiệt độ và áp suất khi sạc và xả.
Độ bền và ổn định thấp
Pin thể rắn dù có vòng sạc – xả cao hơn, tuy nhiên về thời gian lâu dài qua nhiều năm pin có thể bị hao mòn nhanh chóng do sự tạo thành các nhánh kim loại lithium trên cực âm, gây ra ngắn mạch và giảm dung lượng. Các chất điện phân rắn cũng có thể bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí hoặc nước, yêu cầu các biện pháp bảo quản và bảo vệ chặt chẽ.
Các ứng dụng gần đây của pin thể rắn
Toyota
Toyota là công ty hàng đầu trong lĩnh vực pin thể rắn, với hơn 1300 bằng sáng chế liên quan. Toyota đã hợp tác với Panasonic để sản xuất pin thể rắn cho xe điện, và dự kiến sẽ ra mắt một mẫu xe lai sử dụng pin thể rắn vào năm 2025.
Toyota cũng đang phát triển một loại pin thể rắn mới có khả năng tăng cường độ bền, dung lượng và thời gian sạc. Toyota cho biết loại pin này có thể cho phép xe điện chạy được 745 dặm với 10 phút sạc.
QuantumScape
QuantumScape là một công ty khởi nghiệp Mỹ chuyên về pin thể rắn, được đầu tư bởi Volkswagen, Bill Gates, và Khosla Ventures.
QuantumScape đã công bố một loại pin thể rắn có thể sạc từ 0% đến 80% trong 15 phút, và có tuổi thọ các vòng sạc lên đến 800 lần.Loại pin này có thiết kế không có anode, và sử dụng một loại chất cách điện bằng gốm rắn.
QuantumScape cũng đang hợp tác với Volkswagen để sản xuất pin thể rắn cho xe điện vào năm 2025.Công ty này cho biết loại pin này có thể tăng mật độ năng lượng, giảm thời gian sạc và nâng cao an toàn so với pin lithium-ion hiện tại.
Solid Power
Solid Power là một công ty khởi nghiệp Mỹ khác chuyên về pin thể rắn được đầu tư bởi Ford, BMW, Hyundai, Samsung, và Volta Energy Technologies.
Solid Power đã sản xuất được các cell pin thể rắn có kích thước AA, và dự kiến sẽ sản xuất các cell pin thể rắn có kích thước lớn hơn cho xe điện vào năm 2022. Loại pin này sử dụng một loại chất cách điện bằng sulfua rắn, và cho phép sử dụng các điện cực có dung lượng cao hơn như silicon và lithium kim loại.
Công ty này cũng đang hợp tác với Ford và BMW để phát triển các cell pin thể rắn cho xe điện vào năm 2025.
Pin thể rắn hiện tại vẫn đang ở giai đoạn đầu, những sản phẩm thương mại và chất lượng hoàn thiện cần thêm nhiều năm nữa để nhận thấy rõ ràng.
Một số nguồn nghiên cứu nếu bạn muốn đào sâu tìm hiểu hơn về lĩnh vực này
Fundamentals of Electrolytes for Solid-State Batteries: Challenges and Perspectives: Bài báo này tổng quan về các vấn đề cơ bản liên quan đến chất điện phân cho Pin thể rắn , bao gồm các nguyên tắc phát triển các chất dẫn ion cao, sự biến đổi cấu trúc tại giao diện điện cực-chất điện phân không ổn định hóa học và ảnh hưởng của quá trình sản xuất Pin thể rắn đến hiệu suất và độ bền của chúng
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2020.00111/full
Bạn có thể tìm hiểu thêm các bài báo về các chủ đề như thiết kế và tổng hợp chất điện phân, cải tiến giao diện điện cực-chất điện phân, ứng dụng Pin thể rắn trong xe điện và lưu trữ năng lượng, so sánh Pin thể rắn với các loại pin khác:
- Đánh giá tính khả thi của quy trình khởi động nguội đối với pin thể rắn trong các ứng dụng ô tô
- Chất điện phân thể rắn perovskite cho pin kim loại lithium
- Ảnh hưởng của cấu hình khắc của chất nền Si đối với đặc tính điện dung của pin lithium-Ion thể rắn ba chiều
Nguồn tham khảo:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_battery
- https://vinfastauto.com/vn_vi/vinfast-hop-tac-voi-prologium-san-xuat-pin-ran-o-viet-nam
- https://today.ucsd.edu/story/meng_science_2021
- https://www.quantumscape.com
- https://www.solidpowerbattery.com
