Nhu cầu ngày càng tăng về công nghệ pin đáng tin cậy, từ xe điện (EV – electric vehicles) và các thiết bị cầm tay cho đến các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Do đó, việc cải thiện hiệu suất đồng thời giảm trọng lượng và kích thước của pin đang là trọng tâm của nhiều ngành công nghiệp hiện nay.

Ngày càng có nhiều ý kiến thống nhất rằng pin thể rắn (solid-state battery) sẽ tạo ra bước ngoặt công nghệ tiếp theo. Loại pin mới này được đánh giá là nhẹ hơn, an toàn hơn và bền bỉ hơn so với pin lithium-ion (li-ion), đồng thời sở hữu mật độ năng lượng cao hơn.

Các dự báo tăng trưởng cho thấy một sự kỳ vọng lớn dành cho công nghệ pin mới này. Năm 2022, thị trường pin thể rắn toàn cầu được định giá 126,7 triệu usd. Giá trị dự kiến đến năm 2030 là 1,646 tỷ usd. Điều đó tương ứng với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm đạt gần 40% trong giai đoạn dự báo. Có một điều chắc chắn rằng: thị trường pin thể rắn đang chuẩn bị cho một sự tăng trưởng mạnh mẽ, bất kể những thách thức kỹ thuật nào cần phải vượt qua để mở rộng quy mô sản xuất.

Sự hấp dẫn của pin thể rắn
Một phần sức hút của pin thể rắn nằm ở chính những khuyết điểm của các loại pin sạc phổ biến hiện nay. Mặc dù các công nghệ như li-ion đã có những bước tiến nhanh chóng trong những năm gần đây, chúng vẫn tồn tại những hạn chế gây cản trở hiệu suất của nhiều thiết bị điện tử.

Trọng lượng và dung lượng là hai vấn đề nan giải kéo dài. Trong ngành công nghiệp ô tô, các đặc tính này có thể làm hạn chế quãng đường di chuyển của xe điện. Đối với các thiết bị điển tử tiêu dùng cầm tay, những pin có trọng lượng nặng với dung lượng hạn chế dẫn đến thiết kế cồng kềnh và buộc khách hàng phải sạc thường xuyên. An toàn cũng là một khía cạnh đáng lo ngại khác. Chất điện phân lỏng chứa các ion lithium vốn rất dễ bay hơi và dễ cháy. Điều này tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ, đặc biệt là khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc khi pin bị sạc quá mức.

Cuộc đua tìm kiếm các giải pháp thay thế cho pin điện phân lỏng truyền thống đang diễn ra quyết liệt, hướng tới mục tiêu mang lại mật độ năng lượng cao hơn và các biện pháp an toàn cải tiến. Với giả định rằng các rào cản kỹ thuật có thể được khắc phục, pin thể rắn hiện là ứng cử viên sáng giá nhất vì cấu trúc hóa học nền tảng của chúng giải quyết được nhiều hạn chế về trọng lượng, dung lượng và độ an toàn vốn có trong thiết kế pin truyền thống.

Cơ chế hoạt động của pin thể rắn
Một pin li-ion điển hình bao gồm hai điện cực rắn (cực dương và cực âm), một lớp màng ngăn ở trung tâm đóng vai trò là rào cản cơ học, và chất điện phân li-ion dạng lỏng. Ngược lại, pin thể rắn cấu tạo từ một lớp nền polymer hoặc gốm rắn, đóng vai trò của cả màng ngăn lẫn chất điện phân. Cách sắp xếp này phân tách hiệu quả cực dương (cathode) và cực âm (anode), bộ phận thường được làm từ lithium nguyên chất. 

Pin thể rắn có thể sử dụng nhiều loại điện phân rắn khác nhau, mỗi loại sở hữu những đặc tính riêng biệt. Ví dụ, điện phân gốm mang lại độ dẫn ion và độ ổn định nhiệt cao, trong khi điện phân sulfide cung cấp độ linh hoạt tốt hơn và cải thiện khả năng di chuyển của các ion. Việc thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy trong pin li-ion bằng các chất điện phân rắn không cháy trong pin thể rắn, giúp giảm thiểu các rủi ro như hiện tượng quá nhiệt (thermal runaway) (*) và rò rỉ chất điện phân.
(*) Hiện tượng quá nhiệt: xảy ra khi một tế bào pin nóng lên quá nhanh và không thể giải phóng lượng nhiệt mà nó tạo ra. Nhiệt độ tăng làm giảm điện trở và tăng dòng điện, từ đó cũng làm tăng nhiệt độ. Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng, tạo ra một chu kỳ không thể kiểm soát. Hiện tượng quá nhiệt của một tế bào có thể khiến các tế bào khác cũng bị tương tự, điều này thường được gọi là sự lan truyền quá nhiệt. Lượng nhiệt dư thừa tạo ra có thể dẫn đến cháy và cuối cùng là nổ pin và gây hỏa hoạn.

Cấu trúc khác biệt cùng cực âm lithium nguyên chất, những đặc trưng của thiết kế pin thể rắn, giúp đạt được mật độ năng lượng cao hơn đáng kể. Pin thể rắn có tiềm năng cung cấp mật độ năng lượng đến 11 kWh/kg, mặc dù con số thực tế cao hơn trong ngắn hạn là 1 kWh/kg. Bên cạnh việc vượt xa khả năng của các cell pin hiện tại, công nghệ thể rắn có thể giúp giảm trọng lượng đến 30% đối với cùng một mức dung lượng.

Các ứng dụng tiềm năng của pin thể rắn
Hiệu suất về mật độ năng lượng (hiệu quả năng lượng trên mỗi đơn vị trọng lượng) vượt trội đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng cho pin thể rắn. Một ví dụ điển hình là trong lĩnh vực thiết kế ô tô, việc tăng mật độ năng lượng của bộ pin cho phép các kỹ sư giảm tổng kích thước bộ nguồn, từ đó tăng tải trọng hữu ích của xe hoặc giúp kéo dài quãng đường di chuyển. Những lợi thế dành cho khách hàng cuối, bao gồm hiệu suất năng lượng được cải thiện, hành trình dài hơn và ít điểm dừng sạc hơn. Điều này sẽ thu hút thêm nhiều doanh nghiệp vận tải thương mại và các chủ xe cá nhân chuyển đổi từ xe chạy động cơ đốt trong sang xe điện.

Nhiều thiết bị điện tử cũng sẽ được hưởng lợi khi sử dụng pin thể rắn làm nguồn năng lượng. Ngoài mật độ năng lượng cao hơn, các yếu tố như độ an toàn được tăng cường, tuổi thọ kéo dài và khả năng linh hoạt trong thiết kế là những lý do đầy thuyết phục để tích hợp công nghệ thể rắn vào điện thoại thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị đeo tay.

Hơn thế, pin thể rắn có thể thúc đẩy tiến độ phát triển của các đô thị thông minh. Quá trình số hóa phụ thuộc vào việc sử dụng rộng rãi các thiết bị internet vạn vật (IoT – internet of things) chạy bằng pin, cho dù ứng dụng đó nằm trong lĩnh vực sản xuất hay phát triển đô thị. Các mạng lưới dựa trên IoT thu thập và phân tích dữ liệu để thực hiện các hoạt động như theo dõi tài sản, bảo trì dự báo, quản lý năng lượng và giám sát thành phố thông minh. Trong bối cảnh này, những pin có kích thước nhỏ hơn, an toàn hơn và bền bỉ hơn có thể nâng cao hiệu suất và giảm chi phí cơ sở hạ tầng IoT, từ đó tiềm năng thúc đẩy nhanh việc áp dụng các mạng lưới giám sát thông minh.

Tháo gỡ các rào cản trong việc ứng dụng
Tiềm năng của pin thể rắn là vô cùng rõ ràng, nhưng thực tế cho thấy vẫn còn nhiều thách thức về kỹ thuật và sản xuất cần phải vượt qua trước khi công nghệ này đạt được tính khả thi về mặt thương mại. Những thách thức này bao gồm sự phức tạp trong sản xuất, khó khăn khi mở rộng quy mô, khả năng tương thích của vật liệu và tuổi thọ của thiết bị.

Nói một cách tổng quát, các chất điện phân rắn có độ dẫn ion thấp hơn so với các chất điện phân hữu cơ, điều này làm hạn chế hiệu suất của pin thể rắn, đặc biệt là ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, pin thể rắn cũng có thể tương đối giòn, khiến chúng kém bền bỉ hơn trước các tác động vật lý.

Việc sản xuất pin thể rắn cần chế tạo các lớp điện phân rắn mỏng, không có khuyết tật, đồng thời phải thiết lập sự tiếp xúc với chính xác cao cùng các điện cực. Những quy trình này yêu cầu kỹ thuật điều khiển và chế tạo với độ chính xác cao. Việc mở rộng quy mô các quy trình như vậy đặt ra những thách thức về chất lượng và tính đồng nhất cần phải được giải quyết để đạt được hiệu quả kinh tế.

Lựa chọn vật liệu và chi phí là những trở ngại tiếp theo, theo một bài báo năm 2024 có tiêu đề “Advancements and challenges in solid-state battery technology: An in-depth review of solid electrolytes and anode innovations” (tạm dịch là ‘Những tiến bộ và thách thức trong công nghệ pin thể rắn: Đánh giá chuyên sâu về điện phân rắn và đổi mới cực dương’). Các tác giả đã nhấn mạnh những khó khăn trong việc tìm kiếm vật liệu phù hợp cho chất điện phân rắn nhằm đáp ứng các yêu cầu về độ dẫn ion cao, độ bền cơ học và tính ổn định. Nhiều vật liệu điện phân rắn đầy hứa hẹn lại có chi phí đắt đỏ hoặc phức tạp để tổng hợp với số lượng đủ lớn, đặt ra câu hỏi về tính hiệu quả kinh phí của pin thể rắn. Bên cạnh đó, việc tìm kiếm các vật liệu điện cực tương thích có thể hoạt động hiệu quả với các chất điện phân rắn này cũng tạo thêm một lớp phức tạp khác cho quá trình phát triển.

Tiến độ thương mại hóa pin thể rắn
Các hoạt động nghiên cứu chuyên sâu đang được triển khai nhằm vượt qua những thách thức về vật liệu và sản xuất liên quan đến quy trình chế tạo pin thể rắn. Trên thực tế, một số công ty đã tiến rất gần đến việc sản xuất các sản phẩm pin thể rắn có tính khả thi về mặt thương mại, mặc dù hiện tại vẫn ở quy mô nhỏ.

Ví dụ, tập đoàn TDK đã giới thiệu một loại vật liệu độc quyền của dòng pin thể rắn CeraCharge. Công nghệ thế hệ mới này mang lại mật độ năng lượng đến 1000 Wh/L, cao gần 100 lần so với mật độ năng lượng của các dòng pin thể rắn trước đây của công ty. Theo tập đoàn TDK, công nghệ mới nhất này có thể thay thế các loại pin cúc áo hiện nay trong các thiết bị đeo như tai nghe không dây, máy trợ thính và đồng hồ thông minh.

Các bộ pin xe điện truyền thống thường cồng kềnh và phức tạp, những nhược điểm mà pin thể rắn có thể khắc phục

Kết luận: ngưỡng cửa của việc áp dụng pin thể rắn
Sự kỳ vọng từ nhiều lĩnh vực khác nhau đối với tiềm năng của pin thể rắn là hoàn toàn có cơ sở. Công nghệ này nắm giữ tiềm năng to lớn trong ngành xe điện, điện tử tiêu dùng và mạng lưới IoT nhờ những lợi thế vốn có về trọng lượng, độ an toàn, độ bền và mật độ năng lượng, giúp nâng cao đáng kể hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi vẫn cần thêm một khoảng thời gian nữa, khi các kỹ sư đang nỗ lực giải quyết các thách thức về sản xuất, khả năng mở rộng quy mô và tính đồng nhất của sản phẩm.

Bất chấp những thách thức đó, những tiến bộ liên tục trong công nghệ nano, khoa học vật liệu và điện hóa học có khả năng sẽ giúp tháo gỡ các rào cản, mở đường cho quá trình thương mại hóa toàn diện trong tương lai.

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

 

Nguồn: Electronics Online