Sẽ như thế nào nếu bạn có một chiếc điện thoại được sạc đầy chỉ trong vài phút, hay một chiếc xe điện đi được gần 1,000 km mà không cần lo bị cháy nổ?
Pin thể rắn đang được xem là bước nhảy vọt tiếp theo, vượt trội hơn pin lithium-ion hiện tại rất nhiều. Pin lithium-ion trong điện thoại hay xe hơi điện của bạn có thể mất gần một giờ hoặc hơn để đạt đến mức sạc 80%, trong khi pin thể rắn có thể đạt được điều tương tự chỉ trong 3 phút mà thôi. Đây là một sự khác biệt mang tính đột phá lớn.
Giáo sư Cengiz S. Ozkan, đồng tác giả chính của cuộc nghiên cứu, cho biết:
"Pin thể rắn đang ngày càng tiến gần hơn đến hiện thực. Bài đánh giá của chúng tôi cho thấy tiến bộ khoa học đã tiến triển xa đến đâu và cần những bước tiếp theo nào để đưa những loại pin này vào việc sử dụng hàng ngày".
Lợi ích vượt trội từ chất "hóa học với năng lượng" mới
Pin thể rắn hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như loại pin lithium-ion, nhưng thay vì cho sử dụng chất lỏng dễ cháy để di chuyển các ion lithium,
SSB lại sử dụng vật liệu rắn như gốm, polyme hoặc các hợp chất có nguồn gốc sulfide.
Sự thay đổi này không chỉ loại bỏ ra hoàn toàn nguy cơ gây ra cháy nổ, mà còn cho phép sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm cực dương, giúp cho pin sẽ nhẹ hơn, dung tích cao hơn và tuổi thọ sẽ dài hơn đáng kể.
Ông Ozkan giải thích:
"Bằng cách loại bỏ chất lỏng và thay vào đó sử dụng vật liệu rắn ổn định, chúng ta có thể cho truyền tải nhiều điện hơn vào pin cùng một lúc mà không tạo ra nguy cơ bị quá nhiệt hoặc khả năng gây ra 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 tích ngay cả sau 5,000 chu kỳ sạc. Điều này có nghĩa là tuổi thọ của pin có thể lên đến 15-20 năm, cao gấp đôi tuổi thọ thông thường của xe điện.
(Minh họa)
Tốc độ sạc nhanh đến "chóng mặt" và tiềm năng không có giới hạn
Tốc độ là một lợi thế lớn của loại 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 có 3 phút) so với thời gian 30 đến 45 phút cần thiết của loại pin lithium-ion. Mặc dù hiện nay,
SSB vẫn còn chậm hơn pin lithium-ion về mật độ dòng điện đến mức giới hạn (yếu tố quyết định tốc độ sạc an toàn), nhưng những sự cải tiến bộ gần đây đang thu hẹp khoảng cách này khá nhanh chóng.
Một nhóm vật liệu nổi bật là chất điện phân rắn gốc sulfur, 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 đến 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 sẽ giúp chúng được nhẹ hơn và tiết kiệm không gian hơn, điểm rất quan trọng cho xe điện và các thiết bị thuộc ngành hàng không vũ trụ, nơi mà mỗi gram và centimet khối đều có giá trị nhất định.
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 các phi thuyền thám hiểm vũ trụ và các căn cứ thiết lập trên các hành tinh khác.
(Minh họa)
Rào cản còn lại và con đường đến việc cho 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 rất tinh khiết, được xử lý dưới áp suất cao và thường phải được bảo vệ khỏi ôxy và độ ẩm. Các vấn đề về giao diện, nơi các lớp rắn gặp nhau, vẫn có ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của loại pin này.
Để giải quyết những vấn đề này, giới khoa học đang chuyển sang các kỹ thuật sản xuất tiên tiến và mô hình hóa việc tính toán, cho thử nghiệm với các vật liệu mới và điều chỉnh các điều kiện liên 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 gây ra nguy hiểm hơn trong
SSB.
Thêm vào đó, có những cân nhắc về vấn đề môi trường. Một số chất điện phân sulfide, khi được đun nóng, sẽ giải thoát các loại khí độc hại. Và mặc dù
SSB hứa hẹn khả năng cho tái chế lại tốt hơn pin lỏng, nhiều hóa chất điện phân rắn vẫn thiếu các giải pháp cho phục hồi lâu dài.
Hiện tại, các công ty lớn như
Toyota, Samsung, QuantumScape và
Solid Power đang đầu tư mạnh vào
SSB. Một công ty TQ,
Qing Tao Energy, tuyên bố đang chế tạo ra loại pin thể rắn với công suất 100 MWh mỗi năm và đang tiếp tục cho 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, California, đặt ra mục tiêu nhằm 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 mới 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 thức mà chúng ta cung cấp nguồn năng lượng cho thế giới, nhưng để cho giấc mơ này sẽ trở thành hiện thực, chúng ta vẫn cần đến hệ thống kỹ thuật chế tạo cẩn thận, nguồn đầu tư lớn và những đột phá về tiến bộ khoa học để có thể nắm hiểu và cho triển khai đầy đủ tiềm năng của nó.
