Chúng ta coi phần lớn công nghệ xung quanh mình là điều hiển nhiên. Ví dụ, máy tính siêu nhỏ cho điện thoại hoạt động mà không cần sạc lại cả ngày. Nhưng tôi muốn điện thoại hoạt động trong 3-4 ngày mà không cần sạc lại. Hoặc một chiếc ô tô điện có thể đi được 1000 km, sạc chỉ trong vài phút ... và chi phí thấp hơn một chiếc ô tô chạy bằng động cơ xăng. Đã có rất nhiều lời bàn tán về pin thể rắn trong những năm qua, nhưng mọi thứ đang diễn ra như thế nào? Và chúng ta còn phải đợi bao nhiêu nữa cho đến khi pin trạng thái rắn kết thúc bên trong thiết bị của chúng tôi?
Ví dụ gần đây nhất là Toyota, công ty đã công bố một chiếc xe chạy pin thể rắn trong Thế vận hội mùa đông. Pin lithium-ion mà chúng ta sử dụng ngày nay, dù tuyệt vời như thế nào, cũng có những nhược điểm nhất định mà pin thể rắn cố gắng giải quyết.
Họ có đặc điểm gì chung?
Cả hai loại đều sử dụng lithium để sản xuất điện và cấu trúc chung của chúng khá giống nhau. Nói một cách đơn giản, chúng có một cực dương (điện cực âm), một cực âm (điện cực dương) và một chất điện phân.
Sự khác biệt chính của chúng nằm ở trạng thái của chất điện phân, giúp chuyển các ion từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc và ngược lại trong quá trình phóng điện. Nói cách khác, chất điện phân điều chỉnh dòng điện giữa các mặt âm và dương của pin. Trong khi pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng, thì pin trạng thái rắn, như tên gọi của nó, sử dụng các lớp chất điện phân rắn mỏng.
Tại sao nó quan trọng?
Chất điện phân rắn có một số ưu điểm đáng kể:
- Bảo mật: pchất điện giải có tính axit bay hơi và dễ bắt cháy ở nhiệt độ cao. Không giống như chúng, chất điện phân rắn ổn định hơn và giảm nguy cơ cháy hoặc nổ.
- Cao hơn mật độ năng lượng và thời gian sạc nhanh hơn: ptăng độ ổn định có nghĩa là pin thể rắn có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn 50% so với pin lithium-ion, trong khi dự kiến chúng sẽ đạt mức sạc 80% trong vòng 12 phút.
Ở bên trái chúng ta thấy cấu trúc của pin lithium-ion và ở bên phải chúng ta thấy cấu trúc của pin trạng thái rắn.
3. Trọng lượng và kích thước nhẹ hơn: Trong khi chất lỏng bên trong pin lithium-ion khiến chúng nặng hơn, cấu trúc nhỏ gọn của pin thể rắn cho phép mật độ năng lượng trên một đơn vị diện tích cao hơn, có nghĩa là cần ít pin hơn.
Pin thể rắn sẽ thay thế pin lithium-ion?
Về lý thuyết, có, hoặc ít nhất đó là nơi mọi thứ đang hướng tới. Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất ô tô đã và đang đầu tư vào công nghệ này, bao gồm Volkswagen, Toyota, Ford và BMW. Tuy nhiên, trên thực tế, các tế bào của pin thể rắn được sản xuất từng cái một trong các phòng thí nghiệm và để đưa chúng vào sản xuất hàng loạt - một nhiệm vụ tốn kém và vẫn chưa được phát triển đầy đủ.
Rất khó để phát triển một chất điện ly rắn vừa ổn định, vừa trơ về mặt hóa học và là chất dẫn điện tốt của các ion giữa các điện cực. Ngoài ra, chất điện phân quá đắt để sản xuất và dễ bị nứt vỡ do tính chất giòn khi giãn nở và nén trong quá trình sử dụng. Nhưng có lẽ khi pin lithium-ion dần trở nên hợp lý hơn, điều đó sẽ xảy ra.
Những nghiên cứu nào đã được thực hiện?
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu thú vị đã được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề này. Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển cái gọi là chất dẫn điện tử-ion hỗn hợp (MIEC), cũng như chất cách điện điện tử và ion lithium (ELI). Nó là một kiến trúc tế bào ba chiều với các ống MIEC kích thước nano. Các ống này chứa đầy liti, tạo thành cực dương. Một phần quan trọng của khám phá này là cấu trúc tế bào cho phép không gian cho lithium mở rộng và co lại trong quá trình sạc và xả. Việc "thở" này của pin sẽ ngăn ngừa các vết nứt. Lớp phủ của ống ELI hoạt động như một rào cản bảo vệ chúng khỏi chất điện phân rắn. Đây là cấu trúc của pin ở trạng thái rắn, giúp chúng ta không cần phải thêm bất kỳ chất lỏng hoặc gel nào, và do đó cho phép chúng ta tránh các đuôi gai.
Một công ty được gọi là Hệ thống lưu trữ ion đã phát triển một chất điện phân gốm siêu mỏng dày khoảng 10 micromet, có độ dày tương đương với các máy tách nhựa hiện đại sử dụng chất điện phân lỏng. Mỗi mặt của bình điện phân gốm được phủ một lớp oxit nhôm siêu mỏng giúp giảm điện trở. Nguyên mẫu pin có năng lượng khoảng 300 Wh / kg và có thể được sạc trong 5-10 phút. Để so sánh: pin NCA hiện đại đạt công suất năng lượng khoảng 250 Wh / kg.
Tại triển lãm CES Năm nay, Mecedes đã giới thiệu mẫu xe ý tưởng AVTR, được làm bằng vật liệu thân thiện với môi trường và có pin hoàn toàn có thể tái chế. Trong một cuộc phỏng vấn, Giám đốc Nghiên cứu Pin Cấp cao của Mercedes, Andreas Hintennach cho biết rằng công nghệ pin hiện đang được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và sẽ sẵn sàng trong 10-15 năm nữa. CATL (đối tác pin Trung Quốc của Tesla) cũng đã phát triển một mẫu pin thể rắn, nhưng họ báo cáo rằng nó sẽ không được tung ra thị trường cho đến năm 2030.
Dự kiến sẽ liên tục sản xuất pin thể rắn sẽ được sửa từ năm 2025, nhưng ban đầu không phải trong ngành công nghiệp ô tô.
Đọc thêm: