Pin thể rắn sẽ giúp sạc xe nhanh hơn, bền hơn

Pin thể rắn (solid-state batteries) có thời gian sạc ngắn hơn đáng kể, hoạt động mát hơn và tích trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ gọn hơn so với pin lithium-ion truyền thống.

Một bài đánh giá mới từ Đại học California, Riverside, được công bố trên tạp chí Nano Energy, giải thích lý do tại sao công nghệ này đang trên đà thay đổi mọi thứ, từ ô tô điện đến thiết bị điện tử dân dụng, và đại diện cho một bước nhảy vọt lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.

Những viên pin này thay thế chất lỏng dễ cháy trong các loại pin tiêu chuẩn bằng một vật liệu rắn an toàn hơn và hiệu quả hơn nhiều. Trong khi pin hiện tại có thể mất từ 30 đến 45 phút để đạt 80% dung lượng sạc, các mẫu pin thể rắn có thể rút ngắn thời gian đó xuống còn 12 phút, và trong một số trường hợp, chỉ còn 3 phút.

Tác giả chính Cengiz Ozkan, một giáo sư kỹ thuật cơ khí tại UCR, cho biết những lợi ích này đến từ hóa học và kỹ thuật. "Bằng cách loại bỏ chất lỏng và sử dụng vật liệu rắn ổn định thay thế, chúng ta có thể nạp nhiều điện hơn vào pin một cách an toàn cùng một lúc, mà không có nguy cơ quá nhiệt hoặc cháy nổ," ông nói.

Pin lithium-ion thông thường di chuyển các ion lithium (các hạt mang điện tích) thông qua một chất lỏng. Nhưng chất lỏng đó có thể bị xuống cấp theo thời gian, giới hạn tốc độ sạc và gây ra nguy cơ cháy nổ. Pin thể rắn sử dụng một vật liệu rắn thay thế, tạo ra một môi trường an toàn và ổn định hơn cho các ion lithium di chuyển. Điều này cho phép sạc nhanh hơn, hiệu quả hơn và ít lo ngại về an toàn hơn.

Chất rắn bên trong những viên pin này được gọi là chất điện phân thể rắn (solid-state electrolyte). Bài đánh giá nhấn mạnh ba loại chính: gốc sulfide, gốc oxit và gốc polymer. Mỗi loại có những điểm mạnh riêng: một số cho phép ion di chuyển nhanh hơn, một số khác mang lại sự ổn định lâu dài tốt hơn hoặc dễ sản xuất hơn. Một nhóm nổi bật, các chất điện phân gốc sulfide, có hiệu suất gần như tương đương với chất lỏng trong pin hiện tại, nhưng không có những nhược điểm đi kèm.

Các nhà nghiên cứu cũng mô tả các công cụ mà các nhà khoa học đang sử dụng để quan sát hoạt động của pin theo thời gian thực. Các kỹ thuật như chụp ảnh neutron và tia X năng lượng cao cho phép các nhà nghiên cứu thấy được cách lithium di chuyển bên trong pin khi nó sạc và xả. Điều này giúp xác định các khu vực mà lithium bị kẹt hoặc nơi các cấu trúc không mong muốn được gọi là “dendrites” (tinh thể dạng nhánh) bắt đầu phát triển. Dendrites là những cấu trúc nhỏ, giống như kim có thể gây ra hiện tượng đoản mạch hoặc hỏng pin.

Việc hiểu rõ hoạt động bên trong này là chìa khóa để chế tạo pin tốt hơn. "Những công cụ chụp ảnh này giống như một máy MRI dành cho pin," Ozkan nói. "Chúng cho phép chúng tôi theo dõi các dấu hiệu sống của pin và đưa ra các lựa chọn thiết kế thông minh hơn."

Pin thể rắn cũng có xu hướng sử dụng lithium hiệu quả hơn. Nhiều thiết kế có một lớp kim loại lithium có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn so với lớp than chì được sử dụng trong pin hiện tại. Điều này có nghĩa là pin thể rắn có thể nhẹ hơn và nhỏ hơn trong khi vẫn cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong thời gian tương đương, hoặc lâu hơn.

Trong khi pin lithium-ion thông thường thường bắt đầu có dấu hiệu xuống cấp rõ rệt sau khoảng 5–8 năm sử dụng trong xe điện, pin thể rắn có thể hoạt động hiệu quả trong 15–20 năm hoặc hơn, tùy thuộc vào cách sử dụng và các yếu tố môi trường.

"Pin lithium-ion truyền thống, mặc dù mang tính cách mạng, đang đạt đến giới hạn về hiệu suất và an toàn khi xe điện, lưới điện năng lượng tái tạo, thiết bị điện tử cầm tay và hệ thống hàng không vũ trụ ngày càng trở nên phổ biến và có yêu cầu cao hơn," Ozkan nói.

Ozkan cho biết pin thể rắn cũng có thể đóng một vai trò then chốt trong tương lai của du hành vũ trụ và thám hiểm không gian.

Nhờ độ ổn định về nhiệt và hóa học, những viên pin này phù hợp hơn để chịu được nhiệt độ và điều kiện bức xạ khắc nghiệt trong không gian. Chúng cũng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn, điều này rất quan trọng đối với các nhiệm vụ mà từng centimet khối đều có giá trị. Và khi không có chất điện phân lỏng, chúng sẽ đáng tin cậy hơn trong các môi trường kín, được kiểm soát oxy như tàu vũ trụ hoặc căn cứ trên các hành tinh.

Mục tiêu của các nhà nghiên cứu với bài đánh giá này là hướng dẫn các nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ trong việc thúc đẩy phát triển, mở rộng quy mô và triển khai các hệ thống pin thể rắn vào thực tế.

Nhưng những thách thức vẫn còn đó, việc sản xuất những viên pin này trên quy mô lớn vẫn còn khó khăn và tốn kém. Bài báo đưa ra một lộ trình để giải quyết những vấn đề này, bao gồm phát triển vật liệu tốt hơn, tinh chỉnh cách các bộ phận pin tương tác với nhau và cải thiện các kỹ thuật sản xuất tại nhà máy để giúp quy trình sản xuất dễ dàng hơn.

"Pin thể rắn đang tiến gần hơn đến thực tế mỗi ngày," Ozkan nói. "Bài đánh giá của chúng tôi cho thấy khoa học đã tiến xa đến đâu và những bước tiếp theo cần thiết để làm cho những viên pin này có sẵn cho việc sử dụng hàng ngày."