Solid-State Battery – Pin thể rắn là gì và tại sao chúng lại là tương lai?

Pin thể rắn là gì?

Pin Lithium-Ion thông thường, chẳng hạn như pin được tìm thấy trong điện thoại di động và máy tính xách tay, sử dụng chất lỏng hoặc gel polyme được chế tạo bằng các vật liệu như thủy tinh, sulfit và gốm sứ. Pin thể rắn (Solid State Battery – SSB), đúng như tên gọi, sử dụng vật liệu điện phân rắn. Chất điện phân là lớp dẫn điện tạo điều kiện cho dòng điện tử di chuyển từ cathode là điện cực dương sang Anode là điện cực âm. Ngoài các lợi ích về đóng gói và an toàn, chất điện phân rắn cho phép sử dụng các vật liệu anode khác như kim loại Lithium làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin.

Pin thể rắn, pin trạng thái rắn là pin sử dụng điện cực và điện phân trạng thái rắn để dẫn ion. Chất liệu sử dụng làm chất điện ly trong pin thể rắn có thể gồm các oxide O2–, sulfide S2−, phosphat [PO4]3− , hoặc polymer trạng thái rắn. Pin thể rắn được ứng dụng trong các máy tạo nhịp tim nhân tạo, RFID, thiết bị mang trên người và xe chạy điện. Pin thể rắn an toàn hơn, mật độ năng lượng cao hơn nhưng chi phí sản xuất cao hơn pin Li-ion.

Lịch sử của pin thể rắn

Việc tìm kiếm công nghệ Pin thể rắn khả thi đã diễn ra hơn một thế kỷ và những nền tảng đầu tiên của khái niệm này có thể bắt nguồn từ Michael Faraday, người đầu tiên phát hiện ra ‘chất điện phân rắn\\\\\\\\\\\\\\\\’ vào những năm 1800. Pin của ông bao gồm các chất điện phân rắn làm từ bạc sunfua và chì florua. Vào cuối những năm 1950, một số hệ thống điện hóa đã sử dụng chất điện phân rắn. Họ sử dụng ion bạc, nhưng có một số đặc tính không mong muốn, bao gồm mật độ năng lượng và điện áp tế bào thấp, và điện trở bên trong cao. Một loại chất điện phân trạng thái rắn mới, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, xuất hiện vào những năm 1990, sau đó được sử dụng để sản xuất pin Li-ion màng mỏng.

Pin thể rắn an toàn hơn pin Li-ion

Dung dịch điện phân lỏng có trong pin Lithium truyền thống rất khó bảo quản và việc đóng gói không đúng cách có thể dẫn đến các vấn đề như hình thành sợi nhánh đuôi gai (dendrite) bên trong pin trong quá trình sạc. Dendrite có thể được định nghĩa là sự hình thành nhũ đá phát triển từ bề mặt của anode. Những sợi nhánh này không chỉ làm giảm dung lượng của pin mà còn có thể làm đoản mạch tế bào bằng cách chọc thủng vách ngăn chất điện phân lỏng, khiến pin phát nổ. Pin thể rắn với chất điện phân rắn, dự kiến sẽ mang lại hiệu suất và độ an toàn cao hơn so với pin lithium-ion hiện đang cung cấp năng lượng cho xe điện và có chất điện phân lỏng. Các rủi ro liên quan đến công nghệ pin hiện tại được sử dụng trong xe điện bao gồm Khả năng bắt lửa cao, nguy cơ rò rỉ chất lỏng và Phân hủy điện phân ở điện áp cao, tất cả đều có thể được giải quyết bằng pin thể rắn.

Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn

Nhiều nhà sản xuất ô tô lớn như BMW, VW, Hyundai, Nissan, v.v. đã đầu tư hàng triệu đô la vào R&D Pin thể rắn trong thập kỷ qua. Sự thúc đẩy này từ các nhà sản xuất ô tô là do những lợi thế chính của SSB so với công nghệ Li-Ion hiện có. SSB có mật độ năng lượng cao hơn đáng kể so với pin Lithium thông thường. Điều đó cho phép các nhà sản xuất ô tô lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi kg, dẫn đến giảm kích thước và trọng lượng hoặc cho phép pin tích trữ năng lượng cao hơn nhiều và cung cấp phạm vi hoạt động cao hơn đáng kể so với pin Lithium-Ion có kích thước tương tự.

Công suất và khả năng cung cấp mức sạc cao nhất của chúng cũng giảm dần theo thời gian và quá trình sử dụng. Pin lithium-ion cũng yêu cầu làm mát bên ngoài, điều này có thể chiếm nhiều không gian và năng lượng quý giá. Vì vậy, chất điện phân rắn không chỉ an toàn hơn mà còn mang lại tỷ lệ tế bào trên gói cao hơn, phương tiện nhẹ hơn, năng lượng và mật độ năng lượng cao hơn, phạm vi mở rộng và sạc nhanh.

Pin thể rắn có tuổi thọ cao hơn

Ngoài những cải tiến về mật độ năng lượng, Pin thể rắn cũng hứa hẹn mang lại tuổi thọ cao hơn đáng kể so với Pin Lithium-ion thông thường. Toyota đang hợp tác với Panasonic để phát triển Pin thể rắn và đã thu thập được hơn 1.000 bằng sáng chế về công nghệ SSB để tạo ra loại pin giữ được 90% dung lượng pin sau 30 năm sử dụng. Pin Li-Ion, chẳng hạn như pin được sử dụng trong xe điện, có thể mất tới một phần ba công suất trong vòng một thập kỷ. Tuổi thọ ngắn hơn này kết hợp với diện tích sử dụng tương đối lớn hơn so với Pin thể rắn có nghĩa là chúng sẽ lấp đầy các bãi chôn lấp nhanh hơn nhiều so với các SSB tương đương. Với dự kiến xe điện sẽ tăng lên 8,4 triệu chiếc vào năm 2025, lượng chất thải điện tử tạo ra có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng Pin thể rắn.

Tác động môi trường

Lượng phát thải nhỏ hơn và tuổi thọ dài hơn của Pin thể rắn không chỉ tốt từ quan điểm đóng gói và hiệu quả, mà Pin thể rắn còn có khả năng giảm tác động môi trường của pin. Một nghiên cứu gần đây được ủy quyền bởi Transport & Environmental từ Minviro đã so sánh Pin thể rắn với công nghệ Pin hiện có. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng Pin thể rắn có khả năng giảm 2/3 lượng phát thải carbon của pin EV. Nghiên cứu cũng cho biết Pin thể rắn có thể giảm 39% tác động đến khí hậu của pin so với pin Lithium-ion, với điều kiện là nguyên liệu thô có nguồn gốc bền vững. Đây chỉ là sự thúc đẩy cần thiết để đưa ngành công nghiệp EV tiến xa hơn và biến nó trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn hơn cho công nghệ vi mạch.

Tại sao pin thể rắn là điều lớn lao tiếp theo?

Nghiên cứu về pin thể rắn bắt đầu được thực hiện vào năm 2015, tạo ra một số nhân tố quan trọng và những tiến bộ trong lĩnh vực SSB. Samsung đã phát triển một nguyên mẫu SSB để giải quyết vấn đề sợi nhánh dendrite bằng cách sử dụng anode làm bằng composite carbon bạc. Ilika Technologies Ltd, công ty tiên phong trong công nghệ pin thể rắn (SSB), đã thông báo rằng họ đang dẫn đầu dự án hợp tác Faraday Battery Challenge trị giá 8 triệu bảng Anh kéo dài 24 tháng.

Volkswagen có 5% cổ phần trong Quantumscape và công nghệ SSB của nó. QuantumScape đã công bố dữ liệu hiệu suất của mình vào tháng 12 năm 2022. Dữ liệu này tiết lộ rằng SSB của họ có mật độ năng lượng Thể tích đáng kinh ngạc là hơn 1.000 Wh/L trong khi loại pin tốt nhất được sử dụng trong xe điện hiện tại có mật độ cao tới 700 Wh/L. Ngoài ra, SSB của QuantumScape có thể sạc lại tới 80% công suất trong 15 phút và giữ lại 80% công suất sau 800 chu kỳ sạc. Volkswagen ước tính rằng SSB có thể cung cấp năng lượng cho xe điện của bạn sớm nhất là vào năm 2024 trong khi Toyota ước tính những chiếc xe điện chạy bằng SSB đầu tiên của họ sẽ bắt đầu ra mắt vào năm 2025. Vì vậy, có thể nói rằng Pin thể rắn là tương lai của phương tiện di chuyển bằng điện.