Pin thể rắn sẽ thay đổi cuộc chơi của các hãng xe điện!

Pin thể rắn sẽ thay đổi cuộc chơi của các hãng xe điện!

Lĩnh vực pin lithium đang không ngừng phát triển, với các nghiên cứu thực tế hàng ngày nhằm phát triển các công nghệ đổi mới, hiệu suất ngày càng cao, có thể đảm bảo phạm vi hoạt động lớn hơn, công suất lớn hơn và thời gian sạc ngắn hơn bao giờ hết.

Theo nghĩa này, công nghệ pin thể rắn có vẻ như là biên giới cuối cùng của công nghệ, một giải pháp đang được hoàn thiện có tất cả tiềm năng trở thành tương lai của phương tiện di chuyển bằng điện.

Nhưng khi chúng ta nói về trạng thái rắn, có nhiều yếu tố khác nhau phát huy tác dụng, với hàng loạt ưu điểm lớn nhưng cũng có nhiều hạn chế vẫn đang được nghiên cứu và cho đến nay, đang trì hoãn việc đưa nó vào thị trường. Hãy cùng HUST Việt Nam tìm hiểu về pin thể rắn và những điều thú vị về chúng. 

PIN THỂ RẮN LÀ GÌ VÀ CHÚNG HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO: SỰ KHÁC BIỆT VỚI PIN LITHIUM

Pin thể rắn về cơ bản là công nghệ pin sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng vốn sử dụng công nghệ lithium-ion.

Do đó, để có thể nói rõ ràng về pin thể rắn, ta phải lùi lại một bước và hiểu chi tiết cách thức hoạt động của pin lithium-ion và những điểm khác biệt chính của chúng so với công nghệ mới này.

Cấu trúc của pin lithium-ion

Hình ảnh sau đây cho thấy cấu trúc của một tế bào lithium-ion thực tế, công nghệ hiện được sử dụng trong phần lớn các loại xe điện đang lưu hành.

Mỗi viên pin lithium-ion đều có:

• Hai điện cực, tức là các hợp chất có thể chấp nhận sự xen kẽ của các ion lithium bên trong cấu trúc của chúng. Cụ thể hơn, đó là:
  • Cathode: Cực dương của pin làm bằng vật liệu tích điện âm (ví dụ: LFP, NMC, LMO, v.v.) và bộ thu dòng điện
  • Anode: Cực dương của pin làm bằng vật liệu tích điện dương (ví dụ: carbon hoặc than chì) và bộ thu dòng điện
• Một dải phân cách trung tâm, tức là một lớp màng mỏng làm từ polyme dẻo (polyetylen hoặc polypropylen) hoạt động như một dải phân cách cơ học giữa cực dương và cực âm và hoạt động như một chất cách điện.
• Chất điện phân: tức là môi trường mà các ion di chuyển qua đó; một chất lỏng hữu cơ có chứa muối lithium. Chất điện phân lấp đầy toàn bộ thể tích bên trong viên pin, làm ngập các điện cực và cho phép các ion lithium di chuyển bằng cách hoạt động như một liên kết kết nối giữa cực âm và cực dương.

Trong pin lithium-ion hiện tại, bộ phân tách không có bất kỳ chức năng nào khác ngoài chức năng cách điện và hoàn toàn chìm trong chất điện phân lỏng, chất này sẽ thấm mọi thứ bên trongviên pin và trở thành một môi trường thực sự mà qua đó các ion lithium di chuyển giữa cực âm và cực dương, trong đó cực dương được làm từ cấu trúc than chì. Do đó, các ion lithium di chuyển qua chất điện phân và xen kẽ trong cấu trúc tinh thể của hai điện cực anode và cathode (cấu trúc có khoảng trống bên trong, nơi các ion lithium phù hợp vì chúng là các hạt rất nhỏ).

Cấu trúc của pin thể rắn

Tuy nhiên, cấu trúc bên trong của viên pin thể rắn lại rất khác, vì tất cả các bộ phận của nó đều là chất rắn. Trong khi ở pin lithium truyền thống, chất điện phân là chất lỏng, pin thể rắn được hình thành từ:

• Cathode: Cực dương có thể được tạo ra bằng các hợp chất tương tự như pin lithium-ion (ví dụ: LFP, NMC, LMO, v.v.)
• Chất phân tách, thường là gốm hoặc polyme rắn, cũng hoạt động như chất điện phân.
• Anode: cực dương làm bằng kim loại lithium (lithium tinh khiết).

Lớp trung tâm màu xám là lớp phân cách trạng thái rắn, bản thân nó đóng vai trò vừa là lớp phân cách giữa cực dương và cực âm vừa là chất điện phân. Do đó, nó trở thành môi trường mà qua đó các ion di chuyển và cũng có đặc tính cách điện và như một dải phân cách cơ học giữa cực dương và cực âm . Thực tế là có sự hỗ trợ chắc chắn, bền bỉ này cho phép loại bỏ cấu trúc than chì trên phần cực dương và đảm bảo rằng kim loại lithium tích tụ trực tiếp trên cực dương (cũng có những dung dịch bán rắn trong đó chất điện phân là gel).

Pin thể rắn hoạt động như thế nào?

Khi viên pin đang sạc, các hạt ion lithium di chuyển từ cực âm, xuyên qua cấu trúc của các nguyên tử tạo thành dải phân cách, sau đó di chuyển vào giữa bản thân dải phân cách và điểm tiếp xúc điện của cực dương, do đó tạo thành một lớp lithium nguyên chất rắn. Bằng cách này, cực dương sẽ chỉ được hình thành từ các hạt ion lithium và sẽ có thể tích nhỏ hơn so với cực dương của công nghệ lithium-ion, chứa cấu trúc than chì.

ĐIỂM MẠNH HIỆN TẠI CỦA CÔNG NGHỆ PIN THỂ RẮN LÀ GÌ

Về lý thuyết, pin thể rắn hứa hẹn nhiều cải tiến so với các loại pin đang được bán hiện nay; trên thực tế, chất điện phân rắn cung cấp mật độ năng lượng lớn hơn, tuổi thọ cao hơn, độ an toàn cao hơn và có kích thước nhỏ hơn.

Nhưng điều quan trọng cần nhớ là công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển và cho đến nay, pin lithium-ion vẫn là công nghệ hoạt động tốt nhất được bán.

Tuy nhiên, chúng ta hãy xem xét những ưu điểm mà pin thể rắn mang lại:

1. Yếu tố then chốt là sự an toàn

Pin thể rắn không có chất điện phân lỏng dễ cháy. Trong pin lithium-ion, chất điện phân là một trong những thành phần thách thức nhất về mặt an toàn, vì nó dễ bay hơi và do đó dễ cháy hơn. Hơn nữa, lớp cách điện rắn này được thay thế bằng một lớp phân cách điện dày hơn được tạo thành từ vật liệu có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn về mặt cơ học (vì nó có thành phần gốm với các chất phụ gia khác nhau); điều này làm cho sự phân tách giữa cực dương và cực âm trở nên đáng tin cậy hơn, đến mức nó ngăn ngừa đoản mạch, ngay cả trong trường hợp sử dụng sai hoặc hư hỏng, và do đó độ an toàn nội tại của các tế bào tăng lên.

Tất nhiên, không phải tất cả các loại pin lithium-ion đều có mức độ an toàn như nhau.

Một ưu điểm khác về mặt an toàn là khả năng chống lại sự hình thành sợi nhánh, hoặc sự tích tụ liti sắc nét, không đồng đều hình thành trong quá trình di chuyển từ cực âm sang cực dương. Trên thực tế, ion liti không chuyển động đều và có xu hướng kết tụ lại với nhau và tạo thành các gai, phát triển và trong một số trường hợp cực đoan, có thể xuyên qua lớp màng phân cách. Tuy nhiên, nhờ độ dày của nó, các dải phân cách rắn có khả năng chống đâm xuyên từ đuôi gai cao hơn và do đó tránh được hiện tượng đoản mạch có thể xảy ra và sự xuống cấp dần dần của pin.

Sự tạo thành các gai ion lithium trong quá trình sạc pin (Ảnh  của MSE)

2. Mật độ năng lượng đáng kinh ngạc

Độ an toàn nội tại lớn hơn giúp mang lại một cải tiến lớn khác: việc sử dụng cực dương kim loại nguyên chất khuyến khích sự gia tăng lớn về mật độ năng lượng . Điều này về cơ bản là do việc loại bỏ cực dương than chì (trong pin lithium-ion chứa các ion khi chúng di chuyển). Trong pin thể rắn, khi các ion di chuyển, chỉ còn lại các ion và một phần hợp chất nặng, cồng kềnh bị loại bỏ, không tích cực giúp tạo ra năng lượng.

Theo các nghiên cứu mới nhất, pin thể rắn có mật độ năng lượng cao gấp 2 ~ 2,5 lần so với công nghệ lithium-ion hiện tại và lợi thế to lớn này sẽ tạo ra một loại pin nhẹ hơn và nhỏ hơn. Đây chắc chắn là một bước đột phá đối với phương tiện di chuyển bằng điện, vốn sẽ được hưởng lợi từ phạm vi hoạt động lớn hơn và trọng lượng nhẹ hơn, nhưng hãy nhớ rằng chúng ta sẽ chỉ chắc chắn về con số này khi công nghệ này chính thức sẵn sàng.

3. Thời gian sạc cực nhanh

Các nghiên cứu mới nhất đã chỉ ra rằng pin thể rắn có khả năng sạc nhanh hơn tới 6 lần so với các công nghệ hiện tại đang được bán. Nhưng con số này vẫn chưa chắc chắn và sẽ phụ thuộc vào cách thức phát triển công nghệ mới này. Hiện đã có các nguyên mẫu pin thể rắn sạc rất nhanh, nhưng lại làm ảnh hưởng đến các yếu tố quyết định khác để đạt được hiệu suất tốt.

Cho đến nay, điều chắc chắn là chất điện phân lỏng có xu hướng bị ảnh hưởng ở nhiệt độ cao, trong khi chất điện phân rắn thì ngược lại, hiệu suất sạc cao hơn ở nhiệt độ cao và điều này sẽ hỗ trợ hiệu suất của chúng trong quá trình sạc nhanh, giai đoạn vận hành thường tạo ra nhiều nhiệt độ cao hơn.

3. Sản xuất ra pin thành phẩm nhanh hơn

Một số người tranh luận rằng chất điện phân ở trạng thái rắn, vì nó không phải là chất lỏng, có thể cho phép quy trình sản xuất nhanh hơn, dễ dàng hơn , sử dụng ít nguyên liệu và năng lượng hơn ; nhưng lý thuyết này, trong khi có thể hiểu được, cũng chưa thể được chứng minh và sẽ chỉ được chứng minh khi công nghệ này thực sự được sản xuất hàng loạt.

Tuy nhiên, chúng tôi chắc chắn có thể nói rằng hiện tại việc lấp đầy 1 viên pin bằng chất điện phân là một quá trình đòi hỏi nhiều thời gian : viên pin phải được lắp ráp trống và nó phải có lỗ để bơm chất điện phân có thể được lấp đầy sau này, bạn sau đó sẽ phải đợi chất điện phân được hấp thụ hoàn toàn và sau đó, bạn sẽ cần phải đổ đầy lại để đưa nó về mức phù hợp và bịt kín nó. Do đó, đây chắc chắn là một giai đoạn có ảnh hưởng trong quá trình sản xuất và với công nghệ trạng thái rắn, có thể đây là một sự cải tiến thực sự.

NHỮNG LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA PIN THỂ RẮN LÀ GÌ?

Như chúng ta đã thấy, pin thể rắn trong tương lai gần sẽ có khả năng mang lại những lợi thế to lớn giúp tăng hiệu suất và hiệu quả của phương tiện, đồng thời sẽ cách mạng hóa lĩnh vực năng lượng của ngành công nghiệp ô tô. Nhưng sự xuất hiện của công nghệ thể rắn trên thị trường dường như đã sắp xảy ra cách đây vài năm và thay vào đó, bước đột phá vẫn chưa xảy ra. Làm thế nào mà?

Cũng như có nhiều ưu điểm, nhưng cũng có những hạn chế nhất định do công nghệ này còn rất mới, vì nó vẫn chưa sẵn sàng và không ngừng phát triển. Đây là lý do tại sao chúng ta có thể gọi những giới hạn này là những thách thức thực sự cần được giải quyết và những mục tiêu mới quan trọng cần đạt được. 

Dưới đây là 1 số vấn đề cần cải tiến cho pin thể rắn:

1. Vấn đề ổn định

Trong quá trình sạc và xả, tế bào trạng thái rắn đang "thở". Độ dày của cực dương kim loại lithium tăng lên trong quá trình sạc và giảm đi trong quá trình xả, và giống như tất cả các phần tử không ổn định, điều này cuối cùng sẽ gây ra tình trạng hư hỏng.
Vấn đề chính xuất phát từ khó khăn trong việc giữ cố định và nén các viên pin thể rắn cùng một lúc .

Viên pin phải được nén để các lớp bên trong không bị bong ra, nhưng việc buộc nó vào một cấu trúc chứa là chưa đủ, bởi vì điều này sẽ liên tục cần phải "thở" . Do đó, bạn cần phải tạo ra một cấu trúc cơ khí phức tạp: trong các nguyên mẫu pin thể rắn “để bàn”, các tấm được lắp đặt bằng lò xo để giữ cho mọi thứ được nén lại, nhưng đây là một hệ thống phức tạp và đắt tiền, không thể sản xuất hàng loạt.

Do thành phần của nó, không thể ngăn một tế bào ở trạng thái rắn sưng lên; tuy nhiên, nghiên cứu có thể nghiên cứu cách làm cho nó ít đòi hỏi áp suất hơn (để tế bào tự ổn định mà không cần tất cả áp suất này, nhưng có lẽ chỉ với việc sử dụng chất độn), hoặc nghiên cứu các vật liệu tiên tiến cho phép tế bào mở rộng trong khi vẫn giữ cố định và nén chặt tế bào.

2. Lớp phân tách chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao

Ion là vật chất, nguyên tử, do đó có nghĩa là chúng di chuyển dễ dàng hơn trong chất lỏng, trong khi chất rắn (bộ tách gốm) phải có thành phần đặc biệt để có thể cho phép các ion di chuyển tự do.

Hiện đã có các vật liệu phân tách hiệu suất cao theo nghĩa này, nhưng chỉ ở nhiệt độ cao, vì các điện cực rắn chỉ trở thành chất dẫn điện tốt ở nhiệt độ trên 50 độ. Giới hạn này có nghĩa là công nghệ thể rắn vẫn hầu như không được sử dụng trong các phương tiện thực tế, bởi vì chúng ta không thể để pin luôn nóng. Khi pin thể rắn không nóng, hiệu suất của nó hiện đang giảm đáng kể. Công việc sẽ cần phải được thực hiện để đảm bảo rằng chất điện phân rắn hoạt động tốt ở nhiệt độ ngày càng thấp hơn.

3. Vòng đời còn ngắn

Vòng đời của pin thể rắn hiện đang được thử nghiệm vẫn ngắn hơn so với các công nghệ lithium-ion khác, chẳng hạn như pin Lithium hóa học LFP, dễ dàng vượt qua 4.000 chu kỳ sạc.

Vấn đề chính là rất khó để có được sự tiếp xúc tốt giữa tất cả các lớp của viên pin. Khi bạn bắt đầu mất liên lạc giữa các lớp, viên pin sẽ mất dung lượng và hiệu suất.

4. Giá cao

Giá thành của pin thể rắn hiện nay rất cao vì chúng ta đang nói về một công nghệ cực kỳ đổi mới. Hiện vẫn chưa có ước tính chi phí cuối cùng của công nghệ này là bao nhiêu, nhưng chúng ta có thể chắc chắn rằng, nếu các nhà sản xuất ô tô lớn đang đầu tư theo hướng này, thì họ có đủ bằng chứng để tin rằng chi phí cũng có thể được điều chỉnh để sản xuất hàng loạt.

NHỮNG LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA PIN THỂ RẮN LÀ GÌ?

Mặc dù pin thể rắn vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết, nhưng việc chúng xuất hiện trên thị trường hiện nay là điều chắc chắn và chúng ta có thể mong đợi việc sử dụng rộng rãi chúng trong bất kỳ lĩnh vực nào mà cho đến nay, mật độ năng lượng là một yếu tố hạn chế, bởi vì không gian hiện tại là không đủ để lưu trữ tất cả năng lượng cần thiết. Trên thực tế, vì chúng có mật độ năng lượng gấp đôi , pin thể rắn sẽ tăng gấp đôi phạm vi hoạt động và hiện được coi là tương lai của thị trường ô tô và nói chung hơn là của tất cả các phương tiện giao thông.

Lĩnh vực máy móc công nghiệp và lĩnh vực xe điện cũng đang quan tâm đến công nghệ mới này: đây là trường hợp đối với máy móc sử dụng nhiều năng lượng hoặc phương tiện hạng nặng, thường đòi hỏi phạm vi hoạt động rộng và cho đến nay, khối lượng thấp so với lượng năng lượng có thể được sử dụng.

Sự ra đời của công nghệ pin thể rắn chắc chắn có thể hữu ích cho việc mở rộng hơn nữa danh mục phương tiện xe điện. Nếu, cùng với mật độ năng lượng lớn, các viên pin thể rắn sẽ trở nên cạnh tranh trên mọi phương diện, thì chắc chắn chúng cũng có thể là một con đường hợp lệ cho tương lai của ngành điện khí hóa công nghiệp.

“Có nhiều hứa hẹn và kỳ vọng cao về sự phát triển của pin thể rắn, một khi được hoàn thiện, có thể là chìa khóa để đưa điện khí hóa đến các lĩnh vực thách thức hơn, hiện chưa thể từ bỏ nhiên liệu hóa thạch do giới hạn mật độ năng lượng. Bộ phận Nghiên cứu và Phát triển của chúng tôi chắc chắn đang quan tâm đến công nghệ mới này, nhưng điều quan trọng cần nhớ là đổi mới là một khái niệm không ngừng phát triển, không nên chạy theo mà nên dự đoán trước. Tại Flash Battery, chúng tôi thử nghiệm và nghiên cứu các vật liệu và phương pháp mới mỗi ngày với sự tập trung ngày càng tăng vào hiệu quả cao và tính bền vững, với mục tiêu làm cho điện khí hóa công nghiệp ngày càng lan rộng và mở ra cho các lĩnh vực đa dạng nhất”.

Alan Pastorelli CTO và đồng sáng lập Flash Battery– LinkedIn

KHI NÀO PIN THỂ RẮN SẼ XUẤT HIỆN TRÊN THỊ TRƯỜNG ĐIỆN?

Ngược lại, pin thể rắn không phải là khoa học viễn tưởng! Chúng đã trở thành hiện thực trong các ứng dụng nhỏ , chẳng hạn như một số loại pin tiêu dùng hoặc một số phương tiện như xe buýt , phù hợp để sử dụng nhiều và khi pin được sử dụng liên tục trong cả ngày và mặc dù pin vẫn nóng nhưng nó vẫn hoạt động mà không gặp quá nhiều vấn đề. 

Do đó, công nghệ trạng thái rắn đã được sử dụng với khối lượng thấp trong:

• Pin hoạt động trong điều kiện khí hậu được kiểm soát;
• Pin cho các ứng dụng hàng không vũ trụ;
• Pin lai bán rắn hoặc trạng thái rắn;

Một ví dụ thực tế là 50 xe E70 có pin bán rắn do Tập đoàn ô tô Dongfeng Trung Quốc tung ra thị trường gần đây: đây là một loại công nghệ đầu tiên, nơi có vẻ như pin trạng thái bán rắn đã thể hiện xuất sắc tính chất điện hóa thông qua một loạt các thử nghiệm mô phỏng.

Họ sẽ hành xử như thế nào trong dài hạn? Con mắt của toàn bộ thế giới ô tô chắc chắn đang đổ dồn vào nhà sản xuất ô tô Trung Quốc này, vì vậy chúng ta sẽ xem nó diễn ra như thế nào. Nó cũng có thể chỉ là một cơ hội tiếp thị tuyệt vời để quảng bá thương hiệu của họ và liên kết nó với công nghệ mới này trước những công nghệ khác, nhưng không có gì đảm bảo rằng họ sẽ đạt được sản xuất hàng loạt.

Điều chắc chắn là pin thể rắn thực sự dùng cho ô tô vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm , với những thách thức lớn vẫn đang tiếp diễn và cho đến nay, đang hạn chế việc sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất ô tô quan tâm đến công nghệ đầy hứa hẹn này, chẳng hạn như Mercedes, Volkswagen, Toyota và nhiều hãng khác đang đầu tư nguồn lực lớn vào việc nghiên cứu và phát triển nó. Họ sẽ là những người có công nghệ dứt khoát đầu tiên, đã được công bố từ năm 2024 đến năm 2026, miễn là các giới hạn được giải quyết.

 HUST Việt Nam!