Công nghệ pin thể rắn sẽ thay đổi thế giới như thế nào?

Pin thể rắn

Pin/ắc quy lithium-ion sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử ngày nay bao gồm các thành phần: cực âm - phần lưu trữ các ion dương (cation) của pin, được làm bằng các oxit kim loại; cực dương - thường được làm bằng carbon; bộ phân tách - vật liệu ngăn cách cực dương và cực âm và chặn dòng electron nhưng cho phép các ion đi qua; chất điện phân - chất lỏng ngăn cách hai điện cực và mang các cation từ cực dương sang cực âm khi phóng điện (và ngược lại, khi sạc).

Pin thể rắn được hiểu là loại pin có cả điện cực rắn và chất điện phân đều ở trạng thái rắn - là một công nghệ mới nổi và đang phát triển nhanh chóng, được nhiều người coi là thế hệ tiếp theo của công nghệ pin, có thể đánh bật pin lithium-ion khỏi vị trí thống trị thị trường hiện tại, sẽ được ứng dụng trên ô tô, xe tải, tàu thuyền, máy bay..., kể cả các phương tiện quân sự.

Cho đến nay, có nhiều dạng pin thể rắn khác nhau đầy hứa hẹn, chủ yếu dựa trên vật liệu dùng để làm cực dương và cực âm, và các chất điện phân rắn vô cơ hoặc hữu cơ… được sử dụng. Oxit, sulfua, phốt phát, polyether, polyeste, gốc nitrile, polysiloxan, polyurethane, v.v., chỉ là một vài trong số các tùy chọn hiện đang được khảo sát, khám phá.

Lợi thế của pin thể rắn

Pin lithium-ion yêu cầu một số thành phần khá độc hại, cụ thể là các nguyên tố hóa học loban và lithium - những vật liệu tương đối hiếm, đắt đỏ trong chiết xuất và tinh chế, và thường được khai thác từ các mỏ tại các quốc gia hoặc khu vực nghèo, nơi mà hầu như lợi ích của người lao động hoặc môi trường, không được quan tâm. “Bí mật bẩn thỉu” của ngành khai thác lithium là tiêu thụ một lượng lớn nước, cả trong quá trình chiết xuất và trong các bể bốc hơi khổng lồ được sử dụng để sản xuất các tinh thể lithium.

Khai thác và chế biến nó là công việc rất nguy hiểm và cũng vô cùng độc hại đối với các hệ sinh thái xung quanh; tương tự đối với coban - chất thường được khai thác từ cái gọi là “mỏ tận thu”. Các mỏ nhỏ này thường liên quan đến việc sử dụng lao động trẻ em trong các điều kiện làm việc tồi tệ, và cũng tạo ra nhiều chất ô nhiễm trong không khí khó được chấp nhận như uranium, cũng như giải phóng một lượng lớn lưu huỳnh vào chu trình nước.

Về khía cạnh kỹ thuật, chất điện phân lỏng đi kèm với một số vấn đề cố hữu. Ở dòng điện cao hơn, các sợi kim loại nhỏ liti có xu hướng hình thành bên trong các chất điện phân, theo thời gian, có thể làm tăng nguy cơ pin bị đoản mạch. Các chất điện phân trong pin lithium-ion hiện đại cũng rất dễ cháy. Xu hướng hình thành các sợi lithium và tính dễ bắt lửa vốn có của chất lỏng điện phân, có thể khiến các loại pin này trở thành một quả bom hẹn giờ - tự phát cháy.

Việc sử dụng chất thay thế chất điện phân bằng gốm ít có khả năng bắt cháy hơn, cũng giúp ngăn chặn sự hình thành các sợi lithium, và về mặt lý thuyết, có thể cho phép các loại pin này hoạt động với dòng điện cao hơn nhiều so với các loại pin lithium-ion. Tuy nhiên, gốm sứ cũng rất giòn, có thể gặp sự cố trong quá trình vận hành và sản xuất. Các giải pháp cho vấn đề này bao gồm việc ngâm tẩm gốm sứ với các hạt nano graphene, giúp không chỉ làm tăng độ bền của chất điện phân gốm mà còn duy trì độ dẫn ion của chúng.

Thực nghiệm cho thấy, pin thể rắn có khả năng bắt lửa tương đối thấp, độ ổn định điện hóa cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn so với pin điện phân lỏng (con số này có thể cao hơn 2,5 lần so với pin lithium-ion với cùng một thể tích); tăng khả năng kéo dài tuổi thọ sạc-xả-sạc lại (con số này có thể lên tới 10 năm, so với 2 năm khiêm tốn hơn đối với các lựa chọn thay thế truyền thống); dòng điện rò rỉ (tự phóng điện) thấp hơn; có thể được chế tạo với kích thước nhỏ hơn và rẻ hơn; và không tạo ra khí hydro.

Chất điện phân rắn có thể cho phép sản xuất nhanh hơn nhiều mà sử dụng ít nguyên liệu và năng lượng hơn. Ngoài ra, một số ưu điểm quan trọng khác của công nghệ là pin thể rắn có tốc độ sạc nhanh hơn nhiều (một số có thể cung cấp khả năng sạc nhanh gấp 6 lần so với pin sạc lithium-ion); nếu nghiên cứu lượng tử cuối cùng được chứng minh thành công, thì có thể sạc pin thể rắn gần như ngay lập tức). Những tính năng này cùng với hiệu suất cao hơn, độ an toàn đáng kinh ngạc và chi phí sản xuất tương đối thấp, có thể là một cuộc cách mạng cho nhiều ngành công nghiệp dựa vào công nghệ pin.

Các ứng dụng tiềm năng của pin thể rắn

Một trong những vùng “đất dụng võ” của pin thể rắn sẽ là trong ngành công nghiệp xe điện (EV), giúp giảm trọng lượng, tăng độ tin cậy, phạm vi hoạt động, độ an toàn và giảm thời gian sạc so với pin lỏng. Những lợi thế này sẽ giúp cách mạng hóa ngành công nghiệp xe điện một cách hiệu quả. Với doanh số bán xe điện dự kiến đạt 32% tổng thị trường ô tô vào năm 2030, nhu cầu sử dụng pin thể rắn hiệu quả hơn, đáng tin cậy hơn và bền hơn đang tăng lên nhanh chóng.

Toyota gần đây đã thông báo đang có kế hoạch bổ sung pin thể rắn cho xe mới của họ. Theo một báo cáo do Nikkei Asia trích dẫn, điều này có thể cho phép xe điện Toyota có thể chạy 500 km sau một lần sạc cùng với việc sạc lại nhanh chóng từ 0 đến đầy trong 10 phút. Các lựa chọn khác cho ngành công nghiệp EV và năng lượng mặt trời bao gồm việc sử dụng kết hợp giữa pin truyền thống và pin thể rắn.

Một ví dụ đáng chú ý là pin làm từ muối, là một loại pin gần như trạng thái rắn (quasi-solid-state QSS), sử dụng muối làm chất điện phân và chất phân tách. Giải pháp này rất an toàn, “xanh”, giá cả phải chăng và có thể tái chế hoàn toàn. Một dự án hợp tác nghiên cứu giữa Đại học Nottingham (Vương quốc Anh) và sáu cơ quan nghiên cứu ở Trung Quốc gần đây đã công bố một số điểm mang tính đột phá trong lĩnh vực này. Dựa trên các thử nghiệm sử dụng muối nóng chảy được kích hoạt bằng nhiệt, nhóm nghiên cứu đã cải tiến thiết kế bằng cách sử dụng muối rắn để thay thế.

Sự thay đổi này là kết quả của những phát hiện trước đây của họ rằng muối nóng chảy có tính ăn mòn cao, dễ bay hơi và rò rỉ. Bằng cách biến muối lỏng thành muối rắn mềm với sự có mặt của bột nano oxit rắn, chất điện phân QSS của chúng cho phép pin mới hoạt động ở nhiệt độ vượt quá 800 ºC (1472 ºF) - bằng nhiệt độ của khí thải động cơ điển hình. Nếu công trình nghiên cứu thành công, nó có thể tạo ra một giải pháp mới và hấp dẫn trong việc lưu trữ pin an toàn và hiệu quả hơn cho các nhà máy điện mặt trời cũng như ngành công nghiệp ô tô./.