Vì sao pin thể rắn sẽ cách mạng hóa ngành xe điện?

Pin lithium-ion chính là trái tim cho công nghệ sản xuất xe điện ngày nay. Tuy nhiên, dòng pin này vẫn tồn tại một số hạn chế, như dễ cháy, phạm vị hoạt động hạn chế cùng khả năng sạc không thực sự ấn tượng.

Để có thể thay thế hoàn toàn dòng xe tiêu thụ xăng, chúng ta cần một bước đột phá trong ngành công nghiệp pin, một sản phẩm có thể khắc phục những điểm yếu của dòng pin hiện tại. Đó là lúc pin lithium-metal được gọi tên.

Pin lithium-metal khác với pin lithium-ion như thế nào?

Về điểm chung, cả hai loại pin trên đều sử dụng lithium để tạo ra năng lượng điện và có cấu trúc tổng thể tương tự nhau. Nói một cách đơn giản, chúng đều có cực dương (điện cực âm của pin), cực âm (điện cực dương của pin) cùng chất điện phân, giúp điều chỉnh lưu lượng của dòng điện.

Ngoài ra còn có một bộ phân tách (một màng thấm), giữ cho cực dương và cực âm cách xa nhau, tránh tình trạng đoản mạch điện đồng thời cho phép dòng chảy của các ion liti.

Trong pin lithium-ion thông thường, cực dương được làm chủ yếu bằng than chì - một dạng carbon có thể giữ và giải phóng các ion lithium tích điện khi chúng di chuyển qua lại giữa các điện cực. Tuy nhiên, than chì chỉ là vật chủ cho các ion liti, nghĩa là nó không thể tích trữ năng lượng hoặc tự sản sinh ra dòng điện, dẫn đến làm tăng trọng lượng chết của pin.

Ngược lại, trong pin lithium-metal, cực dương được làm bằng lithium thay vì than chì, giúp nó có mật độ năng lượng cao hơn. Nguyên tử trong pin cũng có thể tạo ra dòng điện và lưu trữ lượng năng lượng lớn hơn pin dùng than chì có cùng trọng lượng và thể tích.

Tuy nhiên, lithium là một vật liệu phản ứng, và việc tiếp xúc với chất điện phân lỏng có thể gây ra phản ứng làm suy giảm tuổi thọ pin, tệ hơn là làm pin bốc cháy. Đặc biệt nếu pin bị bám bụi, xử lý kém hoặc được bảo quản không đúng cách. Nếu chỉ thay cực dương bằng lithium thì dòng pin mới vẫn gặp vấn đề như dòng pin than chì cũ.

Để giải quyết bài toán trên, những nhà nghiên cứu đã chuyển sang công nghệ pin thể rắn, thay thế bộ phân tách và chất điện phân lỏng bằng chất rắn tương đương. Việc dùng chất rắn giúp giảm nguy cơ xảy ra phản ứng hóa học không mong muốn cũng như đoản mạch khi chúng tiếp xúc với cực dương liti.

Một số công ty đã bắt đầu áp dụng công nghệ thể rắn vào dòng sản phẩm của họ. QuantumScape phát triển chất điện phân và chất phân tách rắn bằng gốm, Solid Power đã tạo ra công nghệ điện phân dựa trên sulfua. Được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Mỹ, một công ty có tên 24M đang nghiên cứu hỗn hợp gốm điện phân polyme / rắn.

Lợi thế pin thể rắn?

1. Tăng mật độ và phạm vi năng lượng

Nhờ có cực dương được làm bằng lithium, pin thể rắn có thể lưu trữ năng lượng lớn hơn. Nói dễ hiểu thì nếu trước đây với một lần sạc xe điện chỉ có thể đi 402km, nay đạt đến 724km.

2. Tuổi thọ pin lâu hơn

Không dùng than chì đồng nghĩa khối lượng chết của pin sẽ giảm xuống, vốn gây ra bởi các phản ứng phụ hóa học giữa các nguyên tử cacbon và chất điện phân lỏng trong pin thông thường.

3. Sạc nhanh hơn

Solid Power ước tính pin EV của hãng có thể sạc hơn 80% trong chưa đầy 20 phút. Với QuantumScape, con số này chỉ dưới 15 phút. Nguyên nhân là do cực dương metal liti loại bỏ thời gian cần thiết để các ion liti khuếch tán vào các hạt cacbon trong cực dương bằng than chì.

4. An toàn

Khả năng bắt lửa của pin EV chủ yếu là do chất điện phân lỏng của nó. Chất điện phân này dễ cháy, dễ bay hơi, và không ổn định khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, dẫn đến nguy cơ đoản mạch. Với pin thể rắn, người dùng không còn phải lo lắng nhiều.

5. Chi phí

Khi giảm chi phí vật liệu cực dương và chi phí sản xuất, giá thành của pin dự kiến sẽ giảm xuống.

Solid Power tuyên bố có lợi thế về giá từ 15% đến 35% so với pin lithium-ion và theo QuantumScape, loại pin mới cho phép những mẫu xe có phạm vi hoạt động 483km có giá dưới 30.000 USD.

Chúng ta tiến gần đến bước đột phá như thế nào?

Solid Power đã đạt được những tiến bộ đáng kể nhất. Vào tháng 3, họ đã hoàn tất sản xuất lô pin lithium-metal 22 lớp ở quy mô thí điểm, chuẩn bị tiến hành sản xuất hàng loạt với viên pin có điện lượng lên đến 100Ah.

QuantumScape đang tiến hành thử nghiệm trên viên pin 4 lớp của mình. Nếu thành công, lô hàng đầu tiên sẽ xuất xưởng vào năm 2024.

Dự án của ARPA-E và 24M hiện đang được phát triển và tập trung vào việc cung cấp pin cho máy bay điện, sau đó mới đến xe điện.

Công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn đầu và chắc chắn cần thêm nhiều năm nghiên cứu cũng như thử nghiệm trước khi chính thức vượt qua dòng pin hiện tại. Dù vậy, có rất nhiều ông lớn trong ngành ô tô đặt cược vào nó.

BMW và Ford đã đầu tư vào Solid Power, mong chờ sẽ nhận được hàng vào năm 2025. QuantumScape được hỗ trợ bởi Volkswagen, và Bộ Năng lượng Mỹ là đơn vị hậu thuẫn 24M.

Những chiếc EV với trái tim là dòng pin lithium-metal thể rắn không những giúp sạc nhanh hơn, di chuyển phạm vi dài hơn, an toàn hơn mà còn có chi phí thấp hơn đáng kể. Điều này sẽ khuyến khích nhiều người dùng chuyển đổi sang xe điện.