Pin thể rắn sạc trong 3 phút và không bao giờ bắt lửa tại sao vẫn chưa có trong điện thoại và ô tô của bạn?

Pin thể rắn đang được coi là bước nhảy vọt tiếp theo, vượt trội hơn pin lithium-ion hiện tại rất nhiều. Pin lithium-ion trong điện thoại hay xe điện của bạn có thể mất gần một giờ hoặc hơn để đạt mức sạc 80%, trong khi pin thể rắn có thể đạt được điều tương tự chỉ trong 3 phút. Đây là một sự khác biệt mang tính cách mạng.

Giáo sư Cengiz S. Ozkan, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Pin thể rắn đang ngày càng tiến gần hơn đến hiện thực. Bài đánh giá của chúng tôi cho thấy khoa học đã tiến xa đến đâu và cần những bước tiếp theo nào để đưa những loại pin này vào sử dụng hàng ngày”.

Lợi ích vượt trội từ “hóa học năng lượng” mới

Pin thể rắn hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự pin lithium-ion, nhưng thay vì sử dụng chất lỏng dễ cháy để di chuyển các ion lithium, SSB sử dụng vật liệu rắn như gốm, polyme hoặc các hợp chất gốc sulfide.

Sự thay đổi này không chỉ loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ, mà còn cho phép sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm cực dương, giúp pin nhẹ hơn, dung lượng cao hơn và tuổi thọ dài hơn đáng kể.

Ozkan giải thích: “Bằng cách loại bỏ chất lỏng và thay vào đó sử dụng vật liệu rắn ổn định, chúng ta có thể truyền nhiều điện hơn vào pin cùng một lúc mà không có nguy cơ quá nhiệt hoặc hỏa hoạn”.

Một điểm đáng kinh ngạc khác là tuổi thọ của pin thể rắn. Trong khi pin lithium-ion hiện nay có thể bị xuống cấp chỉ sau 1.000 chu kỳ sạc, pin thể rắn đã được chứng minh là có thể duy trì hơn 90% dung lượng ngay cả sau 5.000 chu kỳ. Điều này có nghĩa là tuổi thọ pin có thể lên tới 15-20 năm, gấp đôi tuổi thọ thông thường của xe điện.

Tốc độ sạc “chóng mặt” và tiềm năng không giới hạn

Tốc độ là một lợi thế lớn của pin thể rắn. Bài đánh giá nhấn mạnh rằng các thiết kế mới có thể đạt mức sạc 80% trong 12 phút (hoặc thậm chí chỉ 3 phút) so với thời gian 30 đến 45 phút cần thiết của pin lithium-ion. Mặc dù hiện nay, SSB vẫn còn chậm hơn pin lithium-ion về mật độ dòng điện tới hạn (yếu tố quyết định tốc độ sạc an toàn), nhưng những tiến bộ gần đây đang thu hẹp khoảng cách này nhanh chóng.

Một nhóm vật liệu nổi bật là chất điện phân rắn gốc sunfua, có độ dẫn ion gần bằng chất điện phân lỏng, cho phép vận chuyển ion nhanh hơn. Các hợp chất như Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS) đã đạt độ dẫn điện lên tới 12 mS/cm, một con số từng được coi là ngoài tầm với của vật liệu rắn.

Một điểm cộng nữa là pin thể rắn không cần hệ thống làm mát cồng kềnh vì chúng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và ổn định hơn. Điều này giúp chúng nhẹ hơn và tiết kiệm không gian hơn, cực kỳ quan trọng cho xe điện và các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi mà mỗi gram và centimet khối đều có giá trị.

Thậm chí, vì có thể chịu được nhiệt độ và bức xạ khắc nghiệt, pin thể rắn còn được xem là ứng cử viên lý tưởng để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ và các căn cứ trên các hành tinh khác.

Rào cản còn lại và con đường tới thương mại hóa

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc thương mại hóa pin thể rắn vẫn còn là một thách thức. SSB vẫn còn đắt đỏ và khó sản xuất ở quy mô lớn. Vật liệu phải cực kỳ tinh khiết, được xử lý dưới áp suất cao và thường phải được bảo vệ khỏi oxy và độ ẩm. Các vấn đề về giao diện, nơi các lớp rắn gặp nhau, vẫn ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin.

Để giải quyết những vấn đề này, các nhà khoa học đang chuyển sang các kỹ thuật sản xuất tiên tiến và mô hình hóa tính toán, thử nghiệm với các vật liệu mới và điều chỉnh các điều kiện thiêu kết. Họ cũng đang tìm cách chống lại sự hình thành các dendrite (các sợi lithium hình kim có thể làm đoản mạch pin), dù chúng ít nguy hiểm hơn trong SSB.

Thêm vào đó, có những cân nhắc về môi trường. Một số chất điện phân sulfide, khi được đun nóng, sẽ giải phóng các loại khí độc hại. Và mặc dù SSB hứa hẹn khả năng tái chế tốt hơn pin lỏng, nhiều hóa chất điện phân rắn vẫn thiếu các giải pháp phục hồi bền vững.

Hiện tại, các công ty lớn như Toyota, Samsung, QuantumScape và Solid Power đang đầu tư mạnh vào SSB. Một công ty Trung Quốc, Qing Tao Energy, tuyên bố đang sản xuất pin thể rắn với công suất 100 MWh mỗi năm và đang mở rộng. Tuy nhiên, để pin thể rắn thực sự đến được tay người tiêu dùng đại chúng, các chuyên gia ước tính vẫn còn cần thêm nhiều năm nữa.

Nhóm nghiên cứu UC Riverside đặt mục tiêu đẩy nhanh tiến độ này. Bài báo của họ phác thảo một lộ trình tập trung vào việc tối ưu hóa giao diện, cải thiện sản xuất và hiểu rõ hơn về hành vi vật liệu thông qua chẩn đoán. Giáo sư Ozkan kết luận: “Pin lithium-ion truyền thống đang đạt đến giới hạn hiệu suất và độ an toàn. Pin SSB mở ra một con đường để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của tương lai điện khí hóa của chúng ta”.

Pin thể rắn đang dần thay đổi cách chúng ta cung cấp năng lượng cho thế giới, nhưng để giấc mơ trở thành hiện thực, chúng ta vẫn cần kỹ thuật chế tạo cẩn thận, đầu tư lớn và những đột phá khoa học cơ bản để có thể hiểu và triển khai đầy đủ tiềm năng của nó.