Pin thể rắn là gì? Ứng dụng cho xe ô tô điện

Pin thể rắn là loại pin có cả hai thành phần điện cực và chất điện phân đều ở trạng thái rắn. Chúng có tác dụng thay thế cho chất lỏng hoặc polyme để dẫn ion thường thấy ở pin lithium-ion hoặc pin lithium-ion polyme. Pin thể rắn được coi là công nghệ pin của tương lai vì có nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion.

Pin thể rắn là gì?

Pin thể rắn là loại pin có 2 thành phần “điện cực” và “chất điện phân” đều ở trạng thái rắn. Chúng có tác dụng thay cho chất lỏng hoặc Polyme để dẫn ion thường thấy ở pin Li-ion hoặc pin Li-ion polyme.

Chất liệu sử dụng làm chất điện ly trong pin thể rắn có thể gồm các oxide O2–, sulfide S2−, phosphat [PO4]3−, hoặc polymer trạng thái rắn. Pin thể rắn được ứng dụng trong các máy tạo nhịp tim nhân tạo, RFID, thiết bị mang trên người và xe chạy điện. Pin thể rắn an toàn hơn, mật độ năng lượng cao hơn nhưng chi phí sản xuất cao hơn pin Li-ion

Pin thể rắn có nhiều ưu điểm như an toàn cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, thời gian sạc nhanh hơn, và trọng lượng nhẹ hơn so với pin Lithium-ion. Đây là công nghệ pin hoàn toàn mới, có xu hướng phát triển nhanh chóng trong tương lai. Pin thể rắn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như ô tô, xe máy, máy bay, tàu thuyền,… và cả các phương tiện thuộc lĩnh vực quân sự. Nhiều chuyên gia dự đoán rằng, trong tương lai loại pin này có thể sẽ thay thế pin Lithium-ion.

Có bao nhiêu loại chất điện phân trong pin thể rắn?

Có nhiều loại chất điện phân trong pin thể rắn, tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc của pin. Một số ví dụ về các loại chất điện phân thể rắn là:

• Gốm, như Lithium orthosilicate Li 4 SiO 4, loại perovskite Li 3x La 2/3-x TiO 3 (LLTO), và loại garnet Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12 (LLZO)
• Thủy tinh, như các hợp chất của Lithium, Germanium, Phốt pho và Lưu huỳnh
• Sulfides, như Lithium phosphorus sulfide Li 3 PS 4
• Polyme trạng thái rắn, như polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane, polysiloxane,…

Các loại chất điện phân thể rắn khác nhau có những đặc tính và ưu nhược điểm riêng. Ví dụ, các chất điện phân gốm có độ dẫn ion cao và độ bền cơ học tốt, nhưng khó xử lý và có nguy cơ bị nứt vỡ khi sạc/phóng. Các chất điện phân thủy tinh có độ dẫn ion thấp hơn và dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí hoặc nước. Các chất điện phân sulfide có độ dẫn ion cao và dễ xử lý, nhưng có độ bền kém và dễ bị phản ứng với cực âm kim loại. Các chất điện phân polyme có độ dẫn ion thấp hơn và cần nhiệt độ cao để hoạt động hiệu quả.

Có bao nhiêu loại pin thể rắn?

Hiện nay, có rất nhiều loại pin thể rắn khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc của pin. Một số ví dụ về các loại pin thể rắn là:

• Pin gốm: Sử dụng các chất điện phân rắn oxit, như Lithium orthosilicate Li 4 SiO 4, loại perovskite Li 3x La 2/3-x TiO 3 (LLTO), và loại garnet Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12 (LLZO). Các chất điện phân gốm có độ dẫn ion cao và độ bền cơ học tốt, nhưng khó xử lý và có nguy cơ bị nứt vỡ khi sạc/phóng.
• Pin thủy tinh: Sử dụng các chất điện phân rắn là các hợp chất của Lithium, Germanium, Phốt pho và Lưu huỳnh. Các chất điện phân thủy tinh có độ dẫn ion thấp hơn và dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí hoặc nước.
• Pin sulfide: Sử dụng các chất điện phân rắn là các sulfide của Lithium, như Lithium phosphorus sulfide Li 3 PS 4 . Các chất điện phân sulfide có độ dẫn ion cao và dễ xử lý, nhưng có độ bền kém và dễ bị phản ứng với cực âm kim loại.
• Pin polyme: Sử dụng các chất điện phân rắn là các polyme trạng thái rắn, như polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane, polysiloxane,… Các chất điện phân polyme có độ dẫn ion thấp hơn và cần nhiệt độ cao để hoạt động hiệu quả.

Các loại pin thể rắn khác nhau có những đặc tính và ưu nhược điểm riêng. Ví dụ, pin gốm có mật độ năng lượng cao hơn pin lithium-ion thông thường, nhưng cũng cần nhiều công nghệ và chi phí hơn để sản xuất. Pin sulfide có khả năng sạc nhanh hơn pin lithium-ion thông thường, nhưng cũng có nguy cơ bị nổ hoặc cháy khi quá tải hoặc va đập.

Ứng dụng pin thể rắn cho ô tô

Trong lĩnh vực ô tô, pin thể rắn có tiềm năng trở thành công nghệ pin của tương lai cho xe ô tô điện. Theo IEA, tính đến năm 2040 có khoảng 80% lượng pin lithium được sản xuất trên toàn cầu sẽ ứng dụng cho xe điện. Tuy nhiên, nguồn cung lithium sẵn có trên thị trường hiện đang rất khan hiếm, đồng thời mức giá lithium cacbonat – nguyên liệu cơ bản của ngành sản xuất pin lithium lại tăng cao1. Do đó, pin thể rắn được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này.

Pin thể rắn cho ô tô điện có khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn so với pin Li-ion, giúp giảm trọng lượng tổng thể của xe, tăng không gian chứa và đảm bảo đầy đủ năng lượng cho các hoạt động của phương tiện. Pin thể rắn sử dụng vật liệu gốm rắn cho phép sạc nhanh hơn, tăng phạm vi di chuyển và giảm nguy cơ cháy nổ. Pin thể rắn là công nghệ hoàn toàn mới, có xu hướng phát triển nhanh chóng trong tương lai.

Hiện nay, có một số công ty sản xuất xe ô tô đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển các mẫu xe sử dụng pin thể rắn, như Toyota, Hyundai, Volkswagen, BMW và VinFast. Ví dụ như Toyota đã công bố kế hoạch ra mắt xe điện sử dụng pin thể rắn vào năm 2025. Hyundai cũng đã ký hợp tác với LG Chem để phát triển pin thể rắn cho xe điện3. Tại Việt Nam, VinFast là công ty đầu tiên và duy nhất hiện nay đã ký hợp đồng với Solid Power – công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất pin Lithium-ion ở trạng thái rắn để áp dụng công nghệ này cho các mẫu xe điện của mình.

Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt và đưa ra thị trường vẫn còn gặp nhiều khó khăn và thách thức. Dự kiến, các xe ô tô sử dụng pin thể rắn sẽ xuất hiện vào khoảng năm 2025.

Ưu nhược điểm của pin thể rắn khi sử dụng cho xe ô tô

Pin thể rắn là loại pin có cả hai thành phần điện cực và chất điện phân đều ở trạng thái rắn. Chúng có tác dụng thay thế cho chất lỏng hoặc polyme để dẫn ion thường thấy ở pin lithium-ion hoặc pin lithium-ion polyme. Pin thể rắn được coi là công nghệ pin của tương lai vì có nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion, như:

• Thời gian sạc nhanh hơn: Pin thể rắn có thể sạc đầy ngay lập tức do mật độ năng lượng và sự ổn định điện hóa trong cấu tạo của pin.
• Dung lượng lớn hơn: Pin thể rắn có khả năng dự trữ nhiều năng lượng hơn so với pin lithium-ion cùng kích thước và trọng lượng.
• Trọng lượng nhẹ hơn: Pin thể rắn không cần sử dụng chất lỏng hoặc polyme để dẫn ion, do đó giảm được trọng lượng của pin.
• Độ an toàn cao hơn: Pin thể rắn không bị rò rỉ, cháy nổ hay phát sinh nhiệt khi bị hư hỏng hoặc sạc không đúng cách, do đó giảm được nguy cơ gây hại cho người dùng và môi trường.

Tuy nhiên, pin thể rắn cũng có một số nhược điểm, chủ yếu là:

• Chi phí sản xuất cao: Pin thể rắn cần sử dụng các vật liệu và thiết bị đặc biệt để sản xuất, do đó chi phí sản xuất cao hơn so với pin lithium-ion.
• Khó khăn trong việc thiết kế và tích hợp: Pin thể rắn cần phải có kết cấu chắc chắn và liên kết tốt giữa các thành phần để tránh bị nứt hoặc bong tróc khi hoạt động. Điều này đòi hỏi kỹ thuật thiết kế và tích hợp cao.