Pin thể rắn là gì: Công nghệ pin thế hệ mới cho xe điện và thiết bị di động
Pin thể rắn (solid-state battery) là loại pin thay thế chất lỏng điện liệt trong pin lithium-ion truyền thống bằng chất điện liệt ở trạng thái rắn. Nhờ đó, pin có thể dùng vật liệu anode kim loại lithium để tăng mật độ năng lượng, đồng thời loại bỏ phần lỏng dễ cháy và tránh được hiện tượng kẽm cây làm nứt vỏ pin. Đây là hướng điện hóa được nhiều hãng xe và hãng sản xuất tế bào theo đuổi suốt nhiều năm nay.
Cấu trúc và nguyên lý
Pin lithium-ion thông thường dùng chất điện liệt lỏng có nhiệt độ sôi thấp, cho phép các ion lithium di chuyển giữa điện cực âm graphite và điện cực dương oxit kim loại. Chất lỏng này dễ bị đốt và có thể tạo ra nhánh kim loại lithium mọc xuyên qua lớp ngăn, chạm tới điện cực đối diện và gây nội mạch. Trong pin thể rắn, lớp điện liệt là khối rắn gồm gốm oxit, gốm sunfua hoặc gốm polyme, đặt giữa hai điện cực và chặn sự phát triển của nhánh kim loại.
Ba họ điện liệt rắn khác nhau về cơ chế vận tải ion và độ cứng. Gốm oxit có độ ổn định hoá học tốt nhưng cứng và khó ép tiếp xúc với điện cực kim loại. Gốm sunfua dẻo hơn nên ép dễ, đồng dẫn ion tốt, nhưng nhạy với độ ẩm và sinh khí độc khi phản ứng với không khí. Gốm polyme dễ chế tạo và có thể nâng cấp thiết bị cũ, song độ dẫn điện thấp nên thường cần thêm chất dẫn ion.
Ba lý do chính để chuyển sang pin thể rắn
- Mật độ năng lượng cao hơn. Nhờ dùng được anode lithium kim loại thay cho graphite, lý thuyết đạt khoảng 500 Wh/kg so với 250 Wh/kg của pin lithium-ion hiện tại. Với cùng một khối lượng, quãng đường đi được dài hơn đáng kể.
- An toàn hơn khi cháy. Không còn chất lỏng dễ bắt lửa, nên khi xảy ra sự cố vật lý khó lan truyền và giảm nguy cơ cháy nổ chuỗi.
- Sạc nhanh hơn. Chất rắn chịu được dòng điện cao hơn và không bị giới hạn khuếch táni như chất lỏng, nên có thể tăng dòng sạc mà vẫn giữ tuổi thọ.
Bên cạnh đó là tuổi thọ chu kỳ trên 1000 vòng với mức suy giảm dưới 20 phần trăm, nhờ khả năng chịu điện áp cao hơn và hiện tượng phân rã thể điện hóa nhẹ hơn.
Những bài toán kỹ thuật còn chưa giải quyết
- Không khớp giữa vật liệu rắn và kim loại. Trong quá trình sạc, điện cực lithium thay đổi thể tích theo chu kỳ, còn lớp gốm gần như không co giãn. Lực cơ học tích tụ ở điểm tiếp xúc làm tăng kháng điện và tách lớp, khiến pin nhanh xuống cấp.
- Chi phí chế tạo lớn. Để tạo lớp gốm mỏng và đồng đều cần ép áp lực cao ở nhiệt độ lớn, trong khi pin chuẩn chỉ cần trộn và đổ khuôn. Quy trình này chậm và tốn năng lượng hơn hẳn.
- Khó mở rộng quy mô. Giá thành tính trên mỗi oát giờ giờ của pin thể rắn vẫn cao gấp nhiều lần so với pin thông thường, nên khu vực khởi đầu sẽ là xe sang và thiết bị chuyên dụng.
- Kiểm soát chất lượt khó. Trong sản xuất quy mô lớn, một tạp chất hay một vùng mỏng cục bộ có thể làm hỏng cả tế bào.
Các nhà sản xuất đang tiếp cận theo ba hướng: dùng điện cực âm silicon-carbon thay vì thay đổi hẳn sang lithium kim loại để giảm rủi ro; bọc lớp điện liệt bằng lớp phủ mỏng chống tiếp xúc trực tiếp; và cải thiện chất lỏng điện phân có trong thiết bị bán rắn, vốn dễ chế tạo hơn và đã được dùng thương mại trong nhiều mẫu xe.
So sánh với các công nghệ pin khác
| Tiêu chí | Lithium-ion | Pin thể rắn | Pin hydro xút |
|---|---|---|---|
| Mật độ năng lượng | 250 Wh/kg | 500 Wh/kg | 400 Wh/kg |
| Độ an toàn khi cháy | Trung bình | Cao | Thấp |
| Độ trưởng thành công nghiệp | Rất cao | Đang thí điểm | Đang thương mại hóa |
| Chi phí mỗi oát giờ | Thấp nhất | Cao nhất | Trung bình |
| Tốc độ sạc | Trung bình | Nhanh | Chậm |
Bảng cho thấy pin thể rắn thắng rõ ở mật độ năng lượng và an toàn nhưng thua về chi phí và độ trưởng thành. Đây chính là lý do nó chưa thay thế pin lithium-ion đại trà: người tiêu dùng chưa sẵn sàng trả thêm chi phí cho một công nghệ vẫn đang trong giai đoạn thí điểm.
Lộ trình triển khai
Nhiều nhà sản xuất tế bào và hãng ô tô đã công bố kế hoạch đưa pin bán rắn hoặc thể rắn vào xe thương mại trong vài năm tới, trước hết ở phân khúc xe sang và xe chạy công tác nặng. Ở phía thiết bị đeo và điện thoại, hướng đi thực tế hơn là tăng mật độ bằng silicon-carbon và liên pin trong cùng một khối, tức là pin thể rắn được tích hợp dần chứ chưa thay thế hoàn toàn.
Điều cần theo dõi
Ba chỉ số quyết định tốc độ áp dụng thực tế: giá thành tính trên mỗi oát giờ có giảm xuống dưới mức chấp nhận được cho xe phổ thông hay không; mật độ năng lượng thực tế có đạt được con số lý thuyết 500 Wh/kg ở quy mô sản xuất hay không; và số vòng sạc xả trước khi suy giảm vượt ngưỡng an toàn có được bảo đảm hay không. Cho đến khi ba điều kiện này cùng đạt, pin thể rắn sẽ tiếp tục là câu chuyện về phòng thí nghiệm bên cạnh pin lithium-ion quen thuộc.
Nguồn: Wikipedia về pin thể rắn, Điện liệt thể rắn, Nhánh kim loại lithium
