Pin thể rắn đang được xem là một trong những hướng phát triển tiềm năng của công nghệ lưu trữ năng lượng trong bối cảnh chuyển dịch sang nền kinh tế xanh. Khi nhu cầu về xe điện, năng lượng tái tạo và các hệ thống lưu trữ quy mô lớn ngày càng tăng, những giới hạn của pin lithium-ion truyền thống, đặc biệt về mật độ năng lượng và an toàn đang dần bộc lộ rõ. Điều này thúc đẩy ngành công nghiệp và giới nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp thay thế có hiệu suất cao hơn, ổn định hơn và phù hợp với quy mô triển khai lớn.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Tiến sĩ Billy Wu, nói về pin thể rắn cùng những tiềm năng và thách thức của công nghệ này.

Pin thể rắn và bối cảnh phát triển
Mối quan tâm đối với công nghệ pin thể rắn (solid-state battery) xuất phát từ những hạn chế của pin lithium-ion truyền thống, vốn đang cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nhưng lại có mật độ năng lượng tương đối thấp, khoảng 250 Wh/kg, ảnh hưởng đến quãng đường và hiệu suất của xe điện, đồng thời tồn tại các vấn đề về an toàn.

Pin lithium kim loại thể rắn (Solid-state lithium-metal battery) mang lại khả năng cải thiện an toàn nhờ sử dụng vật liệu khác so với pin lithium-ion thông thường, đạt mật độ năng lượng trên lý thuyết cao hơn, vượt mức 400 Wh/kg. Điều này có thể mở ra các ứng dụng mới như hàng không điện khí hóa, đồng thời cho phép sạc nhanh hơn. Tuy nhiên, dù những lợi thế lý thuyết này rất hấp dẫn, vẫn còn nhiều rào cản thực tế cần được giải quyết.

Hình minh họa được tạo bởi AI

Cơ chế quá nhiệt trong pin lithium-ion truyền thống
Để hiểu rõ động lực về tính an toàn phía sau pin thể rắn, cần xem xét hiện tượng thermal runaway trong pin lithium-ion truyền thống. Loại pin này gồm anode (cực âm) làm bằng graphite và cathode (cực dương) làm bằng oxit kim loại chuyển tiếp (1), được ngăn cách bởi một lớp màng ngăn polymer xốp, tất cả được thấm trong chất điện phân lỏng giúp ion lithium di chuyển giữa hai điện cực.
(1) Kim loại chuyển tiếp (transition metal) là nhóm các kim loại phổ biến như sắt, đồng, niken hay mangan, nằm ở phần giữa của bảng tuần hoàn. Điểm đặc trưng của chúng là có thể “linh hoạt” thay đổi trạng thái trong phản ứng hóa học, nhờ đó dễ dàng tham gia vào nhiều quá trình khác nhau.

Graphite về mặt nhiệt động học không ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân, dẫn đến việc hình thành lớp liên pha điện phân rắn (Solid electrolyte interphase – SEI), đóng vai trò như lớp bảo vệ hạn chế phản ứng. Khi nhiệt độ vượt khoảng 70°C, lớp SEI bắt đầu phân hủy, kích hoạt các phản ứng tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ. Nếu nhiệt tiếp tục tăng vượt 130°C, màn ngăn có thể nóng chảy, gây đoản mạch nội bộ và làm tăng nhiệt độ nhanh hơn do dòng điện lớn.

Khi nhiệt độ vượt 200°C, chất điện phân phân hủy, và trên 300°C, cathode phân hủy, giải phóng oxy dễ cháy. Trong chuỗi phản ứng này, chất điện phân lỏng đóng vai trò trung tâm và là nguyên nhân chính gây mất an toàn.

Nguyên lý hoạt động và đặc điểm của pin thể rắn
Pin thể rắn thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn, với đặc tính lý tưởng là không cháy và an toàn hơn, đồng thời cho phép thay thế anode graphite bằng lithium kim loại có dung lượng riêng cao gấp khoảng 10 lần. Tuy nhiên, trong quá trình sạc xả, lithium kim loại liên tục bị bóc tách và lắng đọng, có thể tạo ra lỗ rỗng, tinh thể dạng nhánh (dendrite) (2) hoặc vết nứt trong chất điện phân, làm suy giảm hiệu suất.
(2) Dendrite (tinh thể dạng nhánh) là các cấu trúc kim loại nhỏ mọc ra theo dạng kim hoặc nhánh trong quá trình sạc pin, đặc biệt phổ biến ở pin sử dụng lithium kim loại. Thay vì lắng đọng đều trên bề mặt, lithium có thể tích tụ không đồng nhất và phát triển thành những “sợi” sắc nhọn. Khi các dendrite này dài ra, chúng có thể xuyên qua lớp màng ngăn bên trong pin, gây đoản mạch và làm giảm độ an toàn cũng như tuổi thọ của pin.

Trong quá trình xả, lithium kim loại bị oxy hóa thành ion và electron, ion di chuyển sang cathode còn electron đi qua mạch ngoài để tạo công hữu ích. Khi sạc, lithium được lắng đọng trở lại anode. Quá trình lặp lại này gây ra biến đổi thể tích đáng kể, khiến độ dày cell phụ thuộc vào trạng thái sạc và thường cần lực nén bổ sung để duy trì hiệu suất và tuổi thọ.

Các kiến trúc pin thể rắn và đánh đổi kỹ thuật
Pin lithium-ion truyền thống là công nghệ đã trưởng thành, có chuỗi cung ứng phát triển và quy trình sản xuất tương đối đơn giản, nhưng bị hạn chế về mật độ năng lượng và an toàn. Pin thể rắn loại bỏ hoàn toàn chất điện phân lỏng, cải thiện an toàn nhưng khó sản xuất hơn do yêu cầu xử lý vật liệu rắn và khó duy trì tiếp xúc giao diện giữa các thành phần.

Việc thay chất điện phân lỏng bằng chất rắn thậm chí có thể làm giảm mật độ năng lượng do mật độ vật liệu rắn cao hơn, nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng vật liệu anode có dung lượng cao như silicon hoặc lithium kim loại. Pin thể rắn mang lại mật độ năng lượng cao hơn và an toàn hơn, nhưng gặp khó khăn trong việc tích hợp cathode và chất điện phân, làm tăng điện trở và giảm công suất, đồng thời vẫn tồn tại vấn đề về khả năng hồi phục của lithium.

Các thiết kế hybrid sử dụng catholyte (chất điện phân ở phía cathode) dạng lỏng hoặc gel để cải thiện giao diện và khả năng sản xuất, nhưng làm giảm mức độ an toàn. Thiết kế anode-free (3) loại bỏ lá lithium kim loại, sử dụng lithium từ cathode để mạ lên lá dẫn điện (collector) (4) trong lần sạc đầu tiên, giúp đạt mật độ năng lượng rất cao và đơn giản hóa sản xuất, nhưng làm trầm trọng thêm vấn đề suy giảm do không có lithium dư (5).
(3) Thiết kế anode-free là cấu trúc pin trong đó không có sẵn vật liệu cực âm, thay vào đó lithium sẽ được lắng đọng và hình thành anode trong quá trình sạc, giúp tăng mật độ năng lượng.
(4) Collector (current collector) là tấm kim loại dẫn điện đóng vai trò thu và truyền dòng điện trong pin, đồng thời là bề mặt để vật liệu điện cực bám hoặc, trong thiết kế anode-free, là nơi lithium được lắng đọng để hình thành anode trong quá trình sạc.
(5) Lithium dư là phần lithium được bổ sung vượt mức cần thiết ban đầu nhằm bù đắp cho các tổn hao trong quá trình vận hành, giúp duy trì dung lượng và tuổi thọ pin theo thời gian. Tuy nhiên, thiết kế anode-free sẽ không có phần lithium dư này, dẫn đến việc pin sẽ mất dung lượng nhanh hơn.

Các loại chất điện phân rắn
Ba nhóm chất điện phân rắn chính đang được phát triển gồm sulfide, oxide và polymer. Sulfide có độ dẫn ion cao và dễ gia công, nhưng có độ ổn định oxy hóa thấp, tương thích kém với cathode và có thể sinh ra khí hydrogen sulfide độc hại khi tiếp xúc với nước.

Oxide có độ ổn định cao và an toàn tốt, nhưng độ dẫn ion thấp hơn và cần xử lý nhiệt độ cao, khiến vật liệu giòn và khó sản xuất. 

Polymer như polyethylene oxide dễ gia công và bền cơ học, nhưng có độ dẫn thấp, phải vận hành ở nhiệt độ cao và bị giới hạn về điện áp hoạt động.

Khoảng cách giữa hiệu suất lý thuyết và thực tế
Mặc dù vật liệu hoạt tính trong pin lithium-ion có thể đạt mật độ năng lượng lý thuyết trên 600 Wh/kg và 2.000 Wh/L, giá trị thực tế chỉ khoảng 260 Wh/kg và 630 Wh/L do khối lượng bổ sung từ chất điện phân, lá dẫn điện, chất kết dính, màng ngăn và vỏ pin. Ở cấp hệ thống, mật độ năng lượng còn giảm thêm do các thành phần không hoạt động và tổn hao điện.

Pin lithium kim loại thể rắn cũng chịu tổn hao tương tự. Dù lý thuyết có thể vượt 1.000 Wh/kg và 5.000 Wh/L, giá trị thực tế khoảng 400 Wh/kg và hơn 1.100 Wh/L sau khi tính đến lithium dư, độ dày điện phân và cấu trúc cell. Tuy vậy, vẫn có thể đạt mức cải thiện khoảng 49% về mật độ khối lượng và 80% về mật độ thể tích so với pin lithium-ion.

Cơ chế suy giảm và thách thức vận hành
Pin thể rắn đối mặt với nhiều cơ chế suy giảm. Chất điện phân rắn không thể hoàn toàn ngăn hiện tượng dendrite, có thể gây đoản mạch. Quá trình lão hóa theo thời gian dẫn đến mất tiếp xúc giao diện (interfacial delamination) (6), tạo lỗ rỗng và hình thành lithium chết làm giảm dung lượng. Lithium kim loại mềm có thể bị chảy dẻo (mechanical creep) (7), gây phân bố không đều và đoản mạch nội bộ.
(6) Interfacial delamination là hiện tượng các lớp vật liệu bị tách rời khỏi nhau tại vùng giao diện – nơi hai vật liệu khác nhau được liên kết, chẳng hạn như giữa điện cực và chất điện phân, hoặc giữa lớp phủ và nền vật liệu. Hiện tượng này xảy ra khi lực liên kết tại bề mặt tiếp giáp suy giảm hoặc không đủ bền để chịu các tác động cơ học, nhiệt hoặc hóa học trong quá trình vận hành.
(7) Mechanical creep là hiện tượng vật liệu bị biến dạng chậm và liên tục theo thời gian khi chịu một tải trọng không đổi, đặc biệt rõ rệt ở nhiệt độ cao hoặc trong điều kiện làm việc kéo dài.

Ngoài ra, chất điện phân có thể không ổn định khi tiếp xúc với điện cực, gây phân hủy và sinh khí. Vật liệu giòn có thể nứt gãy do ứng suất, trong khi cathode giãn nở và co lại trong quá trình vận hành, dẫn đến nứt và mất vật liệu hoạt tính. Những vấn đề này khiến hệ thống thường cần lực nén bổ sung, làm tăng độ phức tạp và khối lượng, đồng thời cần sử dụng lithium dư, làm tăng chi phí.

Lộ trình phát triển công nghệ và chuỗi cung ứng
Quá trình phát triển pin tuân theo các cấp độ sẵn sàng công nghệ (Battery Technology Readiness Level – BTRL), từ khám phá khoa học, tổng hợp vật liệu, thử nghiệm cell nhỏ, phát triển cell lớn, đến mở rộng sản xuất và tích hợp hệ thống, có thể kéo dài tới 10 năm.

Bên cạnh đó, chuỗi cung ứng cũng là một rào cản lớn. Việc xây dựng chuỗi cung ứng và khai thác, nhà máy sản xuất và xử lý, thử nghiệm công nghệ,… đều là những công đoạn cần rất nhiều thời gian. Những khoảng thời gian dài và chi phí đầu tư cao cho thấy thách thức lớn trong việc triển khai công nghệ mới ở quy mô lớn.

Kết luận
Pin thể rắn mang lại tiềm năng lớn cho quá trình chuyển đổi năng lượng nhờ mật độ năng lượng cao hơn và cải thiện an toàn thông qua việc thay thế graphite bằng lithium kim loại và chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn. Các kiến trúc khác nhau như all-solid-state (thể rắn hoàn toàn), hybrid và anode-free đều có ưu nhược điểm riêng, trong khi các loại chất điện phân cũng có sự đánh đổi về hiệu suất và khả năng sản xuất.

Tuy nhiên, khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế vẫn còn là một rào cản, đồng thời phải giải quyết các cơ chế suy giảm mới và những rào cản trong sản xuất, vật liệu và chuỗi cung ứng. Dù còn nhiều thách thức, những tiến bộ hiện tại cho thấy công nghệ pin thể rắn vẫn có tiềm năng phát triển mạnh trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Pin thể rắn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Billy Wu