Pin thể rắn là gì? Công nghệ pin kỳ vọng thay đổi ngành xe điện

Trong hơn ba thập kỷ qua, pin lithium-ion đã trở thành 1 trong những bộ phận quan trọng nhất của hầu hết thiết bị điện tử và phương tiện điện trên thế giới. Tuy nhiên, khi yêu cầu về mật độ năng lượng cao hơn, thời gian sạc nhanh hơn và độ an toàn tốt hơn, đòi hỏi các nhà khoa học phát triển một hướng đi mới để đáp ứng nhu cầu đó - và loại pin đó mang tên pin thể rắn. Đây được xem là một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng tiềm năng nhất hiện nay, có khả năng khắc phục nhiều hạn chế của pin lithium-ion truyền thống. Vậy Pin thể rắn là gì, hoạt động như thế nào và vì sao công nghệ này được đánh giá là tương lai của ngành năng lượng? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.

Pin thể rắn là gì?

Pin thể rắn là gì? Có tên tiếng anh là Solid-State Battery - SSB là loại pin khác hẳn với các dòng hiện tại, chúng sử dụng chất điện phân ở trạng thái rắn thay cho chất điện phân lỏng hoặc gel.  Giúp nâng cao độ an toàn, đồng thời mở ra khả năng sử dụng các vật liệu điện cực có mật độ năng lượng cao hơn.

Về nguyên lý hoạt động cơ bản được hiểu sơ bộ là  pin thể rắn dựa trên nguyên tắc chung của sự di chuyển ion lithium giữa cực âm và cực dương trong quá trình sạc – xả. Tuy nhiên điểm khác ở đây là thay vì đi qua môi trường lỏng, các ion sẽ khuếch tán qua lớp điện phân rắn được chế tạo từ vật liệu gốm, sulfide, phosphate hoặc polymer đặc biệt.

Đặc điểm nổi bật của PIN Thể rắn

Một số đặc điểm nổi bật, khiến chúng dần trở thành 1 công nghệ tiên tiến, và các hãng sản xuất đang hướng đến như:

• Chất điện phân không cháy.
• Giảm nguy cơ rò rỉ điện giải.
• Hạn chế hiện tượng đoản mạch do dendrite.
• Cho phép sử dụng cực âm lithium kim loại.
• Mật độ năng lượng cao hơn.
• Tuổi thọ chu kỳ dài hơn.

Cấu tạo pin thể rắn là gì?

Vậy cấu tạo pin thể rắn gồm những thành phần nào? có cấu trúc ra sao? Về thiết kế chung gồm ba thành phần chính:

Cực dương (Cathode) là nơi lưu trữ ion lithium trong quá trình phóng điện. Các vật liệu thường sử dụng gồm:

• NMC (Nickel Manganese Cobalt)
• NCA (Nickel Cobalt Aluminum)
• LFP (Lithium Iron Phosphate)

Cực âm (Anode) Nhiều thiết kế pin thể rắn sử dụng trực tiếp lithium kim loại thay cho graphite, vẫn giữ lại cấu trúc cơ bản với ưu điểm:

• Tăng dung lượng lưu trữ.
• Giảm khối lượng pin.
• Nâng cao mật độ năng lượng.

Chất điện phân rắn: Đây là thành phần cốt lõi quyết định hiệu suất của pin, và khác biệt hoàn toàn, các vật liệu đang được nghiên cứu bao gồm:

• Gốm oxit (Oxide Ceramic)
• Sulfide Electrolyte
• Polymer Electrolyte
• Composite Glass-Ceramic

Pin thể rắn toàn phần là gì?

Một câu hỏi cũng rất được quan tâm khi có sự xuất hiện của PIN thể rắn, thì phiên bản toàn phần là gì? Được biết đến là loại pin mà toàn bộ hệ điện hóa sử dụng vật liệu rắn, từ điện cực đến chất điện phân. Trong tiếng Anh, công nghệ này được gọi là All-Solid-State Battery (ASSB).

So với các hệ pin bán rắn, pin thể rắn toàn phần có độ an toàn cao hơn, ít nguy cơ rò rỉ điện giải và có tiềm năng đạt mật độ năng lượng vượt trội.

Tham khảo:

• Nguyên lý hoạt động của PIN điện hoá
• 6 Loại PIN sử dụng phổ biến trên Ô tô

Ưu điểm của PIN thể rắn là gì?

Mật độ năng lượng cao hơn

Một trong những lợi ích lớn nhất của công nghệ pin thể rắn là khả năng lưu trữ năng lượng lớn trên cùng một đơn vị khối lượng.

Nhiều nghiên cứu cho thấy pin thể rắn có thể đạt trên 350 Wh/kg, trong khi phần lớn pin lithium-ion thương mại hiện nay nằm dưới mức này.

Từ đó PIN giúp ích trong ứng dụng của các dòng thị bị như: Ít sạc hơn, kích thước PIN nhỏ gọn hơn

Độ an toàn vượt trội

Nhược điểm của Pin lithium-ion sử dụng dung môi hữu cơ dễ cháy, thường cháy rất khó tắt, vì thế với cấu tạo đặc trưng trong PIN thể rắn chúng giúp:

• Giảm nguy cơ cháy nổ.
• Hạn chế rò rỉ hóa chất.
• Giảm hiện tượng thermal runaway.

Tuổi thọ cao hơn

Một số nghiên cứu cho thấy pin thể rắn có thể đạt tới 5.000 chu kỳ sạc – xả trong điều kiện tối ưu. Từ đó khi sử dụng PIN này các thiết bị sẽ giúp:

• Giảm chi phí thay pin.
• Tăng tuổi thọ phương tiện.
• Nâng cao hiệu quả khai thác hệ lưu trữ năng lượng.

Khả năng sạc nhanh

Đây là yếu tố khá được quan tâm trong thiết bị điện tử hiện nay, và PIN thể rắn Nhờ thiết kế điện cực và điện phân mới, nhiều nguyên mẫu pin thể rắn hiện nay có khả năng sạc đến 80% dung lượng chỉ trong khoảng 10–15 phút.

Pin thể rắn thương mại đã xuất hiện chưa?

Mặc dù nhiều hãng đã công bố nguyên mẫu và dây chuyền thử nghiệm, nhưng Pin thể rắn thương mại vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện trước khi sản xuất quy mô lớn. Vẫn chưa có 1 phiên bản nào hoàn hảo để triển khai quy mô.

Thiết bị kiểm tra pin thể rắn nổi bật

Trên thị trường thiết bị kiểm tra, kiểm nghiệm có thiết bị nào chuyên kiểm test dòng pin này chưa? Với sự đi đầu trong công nghệ Scribner mang đến hệ thống kiểm tra pin nhiên liệu oxit rắn 855 SOFC & SOEC Test System giúp quá trình nghiên cứu, triển khai được thuận lợi và sâu sát nhất.

Một trong những hệ thống nổi bật hiện nay là 855 SOFC & SOEC Test System do Scribner (Hoa Kỳ) phát triển.

Những đặc điểm nổi bật

• Hỗ trợ cả SOFC và SOEC.
• Dải dòng 5A, 25A và 50A.
• Công suất đến 100W.
• Điều khiển hoàn toàn bằng phần mềm FuelCell®.
• Đo điện trở cell theo thời gian thực.
• Hỗ trợ các chế độ điện áp không đổi, dòng không đổi và công suất không đổi.

Ứng dụng của thiết bị

• Nghiên cứu vật liệu pin.
• Đánh giá pin nhiên liệu oxit rắn.
• Nghiên cứu điện phân nước tạo hydro.
• Các phòng thí nghiệm năng lượng và trung tâm R&D.

Từ góc nhìn khoa học và công nghệ, chúng ta đã cùng nhau phân tích cơ bản nhất về Pin thể rắn là gì? Có thể thấy chúng đang trở thành nền tảng cho thế hệ pin tương lai. Với mật độ năng lượng cao, khả năng sạc nhanh, tuổi thọ dài và độ an toàn vượt trội, pin thể rắn được kỳ vọng sẽ tạo ra bước đột phá trong ngành xe điện, điện tử tiêu dùng và lưu trữ năng lượng.