Pin chứa silicon - niềm hy vọng mới cho thiết bị di động

Thiết bị điện tử ngày càng được nâng cấp, trang bị nhiều tính năng mới giúp con người giao tiếp, học tập, giải trí, thanh toán di động, chụp ảnh, xử lý AI.... Tuy nhiên, có một linh kiện quan trọng nhưng gần như đóng băng, không có bước tiến đáng kể trong hơn 50 năm qua là viên pin.

Đến nay, pin lithium-ion vẫn thống trị thị trường, nhưng một biến thể khác là lithium-silicon đang được kỳ vọng trở thành giải hiệu quả về dung lượng trong khi chờ đợi sự đột phá thực sự về công nghệ pin.

Pin lưu trữ và cung cấp năng lượng cho thiết bị bằng cách sử dụng các phản ứng điện hóa. Nó có ba thành phần chính gồm cực dương (Anode), điện cực nơi quá trình oxy hóa (mất electron) diễn ra khi phóng điện, với vật liệu phổ biến là than chì hoặc kim loại; cực âm (Cathode), điện cực nơi xảy ra hiện tượng khử (thu electron) trong quá trình phóng điện với vật liệu là các kim loại như lithium, coban hoặc mangan; và cuối cùng là chất điện phân giúp các ion di chuyển giữa hai cực, tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua, thường là chất lỏng hoặc gel chứa ion.

Khi kết nối một thiết bị bên ngoài cần nguồn điện vào mạch pin, các ion tích điện bắt đầu chảy từ cực dương đến cực âm qua chất điện phân. Các electron di chuyển từ pin sang thiết bị được kết nối và cung cấp năng lượng cho chúng. Pin lithium-ion được nghiên cứu từ thập niên 1960 nhưng đến 1991 mới thương mại hóa và được sử dụng phổ biến hiện nay.

Trong khi đó, pin lithium-silicon là một biến thể sử dụng cực dương gốc silicon và các ion lithium làm chất mang điện. Những thí nghiệm đầu tiên với vật liệu lithium-silicon từ những năm 1970, nhưng cực dương kết hợp silicon được đưa ra lần đầu năm 2002.

Ưu thế của pin lithium-silicon

Theo Science Direct, pin lithium-silicon chỉnh sửa nhỏ ở cực dương để cải thiện công suất. Hiện tại, than chì có giới hạn dung lượng là 372 mAh trên mỗi gram. Trong khi đó, silicon tinh thể nguyên chất có công suất 3.600 mAh mỗi gram, tức gấp khoảng 10 lần.

Bên cạnh đó, theo Clean Technica, silicon cũng thuộc loại thể rắn như lithium-ion nhưng mang lại sức hấp dẫn khi cho tuổi thọ dài hơn và thời gian sạc nhanh hơn, cũng như chi phí thấp hơn. Ngoài ra, trọng lượng pin cũng giảm đáng kể so với hầu hết loại thể rắn phổ biến hiện nay.

Tại sao pin lithium-silicon chưa phổ biến?

Vậy có thể sử dụng silicon tinh thể để tạo pin dung lượng 50.000 mAh? Câu trả lời là rất khó, bởi tinh thể silicon nguyên chất có đặc tính nguy hiểm là thay đổi thể tích khi nạp xả điện tới 300%. Nghĩa là pin sẽ bị phồng, vỡ, bắt lửa hoặc phát nổ khi nạp xả quá nhanh.

Một thách thức liên quan đến sự mất ổn định của pin silicon là màng điện phân thể rắn (SEI). Theo Bộ Năng lượng Mỹ, SEI là lớp màng hình thành trên các hạt hoạt động ở cực dương nhằm ức chế hoặc dừng các phản ứng tiếp theo giữa cực dương được gắn điện áp cực thấp và chất điện phân. Nếu không có màng này, hoặc màng không đủ dày, các phản ứng sẽ diễn ra liên tục gây tiêu thụ lithium, làm cho pin giảm dung lượng nhanh chóng và tuổi thọ pin ngắn.

Bước tiến của pin lithium-silicon

Để ngăn điều trên nhưng vẫn có thể thu được lợi ích, các nhà khoa học đã tạo ra một loại vật liệu mới có tên silicon-carbon, sử dụng hạt nano silicon tăng công suất của cực dương. Hiện pin lithium dùng silicon-carbon thương mại có dung lượng khoảng 550 mAh/g, cao gần gấp đôi pin dùng điện cực là than chì.

Việc sản xuất mẫu pin sử dụng điện cực tổng hợp dây nano silicon đã được công ty Mỹ Amprius sản xuất năm 2014, sau đó tuyên bố bán được hàng trăm nghìn pin trong cùng năm. Đến 2016, các nhà nghiên cứu Đại học Stanford trình bày phương pháp đóng gói vi hạt silicon trong lớp vỏ graphene hoạt động như một lớp xen kẽ chất điện phân rắn ổn định.

Thực tế, pin với vật liệu silicon-carbon đã có trên xe Tesla. Năm 2015, CEO Tesla Elon Musk cho biết mẫu pin chứa silicon trang bị cho mẫu Model S đã tăng thời gian hoạt động của ôtô lên 6%.

Tính đến 2018, sản phẩm pin silicon của các startup Sila Nanotechnologists, Global Graphene Group, Enovix, Enevate hay Group14 đã có nhiều khách hàng tiềm năng. Trong đó, Sila có đối tác gồm BMW, Amperex trong lĩnh vực xe hơi hay Apple và Samsung ở mảng thiết bị di động.

Tháng 5/2022, Porsche AG bắt tay với Group14, dự kiến sản xuất pin lithium-silicon tại Đức năm nay. Group14 cũng đang lên kế hoạch sử dụng nguồn tài trợ của Porsche nhằm đẩy nhanh quá trình xây dựng nhà máy pin thứ hai tại Mỹ.

Trên smartphone, một số hãng cũng đã áp dụng giải pháp mới. Honor hiện dùng pin chứa vật liệu silicon-carbon cho mẫu Honor Magic 5 Pro, Magic V2 và sắp tới là Magic 6 Pro. Quân đội Mỹ cũng được cho là đang nghiên cứu loại dành riêng cho người lính vì trọng lượng nhẹ của nó.

Năm ngoái, Businesswire đưa tin một loạt công ty về pin gồm JCESR, Argonne và Blue Current thông báo "phát triển loại pin thể rắn, an toàn, sẵn sàng cho sản xuất quy mô megawatt". Dù vậy, hiện chưa có sản phẩm nào được thương mại hóa.

Theo giới chuyên gia, trước mắt, công nghệ pin dùng vật liệu silicon-carbon sẽ là bước chuyển tiếp lên giai đoạn cao hơn của pin Lithium-silicon. Dù chưa thể khai thác toàn bộ tiềm năng, các công nghệ hiện tại cho phép đưa pin chứa silicon lên thiết bị di động ở một mức giới hạn nào đó là tín hiệu đáng mừng.

"Yếu tố quan trọng nhất là vật liệu và quy trình được sử dụng để tạo ra những pin như vậy không khác biệt quá nhiều so với pin lithium-ion thông thường. Nghĩa là các công ty có thể nghĩ đến việc sản xuất, mở rộng và đầu tư mức chi phí ở mức chấp nhận được", tiến sĩ Jinhyuk Lee của Đại học California nói với Clean Technica.

Theo PhoneArena, pin lithium-silicon hiện có công suất cao hơn 20% so với lithium-ion. Nhưng những tiến bộ trong công nghệ này có thể tăng mức này lên cao hơn, do đó điện thoại iPhone và Galaxy trang bị pin 10.000 mAh có thể không còn xa nữa.