Pin thể rắn là gì? Trang bị trên ô tô được không?

Toyota và nhiều nhà sản xuất ô tô khác đang phát triển công nghệ pin thể rắn như một cách đi tắt đón đầu trong cuộc đua xe điện. Vậy Pin thể rắn là gì? Có ưu điểm và nhược điểm gì so với Pin Lithium-ion? Cùng Giaxeotovn tìm hiểu nhé.

Pin thể rắn là gì?

Pin thể rắn hay pin trạng thái rắn (solid-state battery) là pin sử dụng điện cực và điện chất điện ly (điện phân) trạng thái rắn để dẫn ion, thay cho chất lỏng hoặc polymer thường thấy ở pin Li-ion hoặc pin Li-ion polymer. Chất liệu sử dụng làm chất điện ly trong pin thể rắn có thể gồm các oxide O2–, sulfide S2−, phosphat, hoặc polymer trạng thái rắn.

Pin thể rắn là gì?

Các ứng cử viên làm vật liệu điện phân thể rắn bao gồm lithi orthosilicat (Li4SiO4), thủy tinh, sulfide và RbAg4I5. Các chất điện phân rắn oxide chính bao gồm Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP), Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 (LATP), loại perovskite Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO), và loại garnet Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO) với Li kim loại.

Trong khi chất điện phân rắn lần đầu tiên được phát hiện vào thế kỷ 19 bởi nhà khoa học nổi tiếng Michael Faraday, có một số vấn đề đã ngăn cản việc ứng dụng rộng rãi. Sự phát triển vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 đã tạo ra mối quan tâm mới về công nghệ, đặc biệt là trong bối cảnh xe điện.

Pin thể rắn tuy là công nghệ không mới, nhưng sẽ có xu hướng phát triển nhanh chóng trong tương lai. Pin thể rắn hiện nay đã được ứng dụng trong các máy tạo nhịp tim nhân tạo, RFID, thiết bị mang trên người và xe chạy điện. Pin trạng thái rắn có thể ứng dụng nhiều hơn 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.

Ưu nhược điểm của Pin thể rắn so với Pin Lithium-ion

Pin thể rắn an toàn hơn, mật độ năng lượng cao hơn nhưng chi phí sản xuất cao hơn pin Lithium-ion.

So sánh Pin thể rắn và Pin Lithium-ion

Pin thể rắn có thể sử dụng lithium kim loại làm cực dương và oxit hoặc sunfua làm cực âm, làm tăng mật độ năng lượng. Chất điện phân rắn hoạt động như một chất phân tách lý tưởng chỉ cho phép các ion lithium đi qua. Vì lý do đó, pin thể rắn có khả năng giải quyết nhiều vấn đề về chất điện phân lỏng (tức là loại pin phổ biến nhất) Lithium-ion, chẳng hạn như tính dễ cháy, điện áp giới hạn, sự hình thành xen kẽ chất điện phân rắn không ổn định, hiệu suất chu kỳ kém và độ bền.

Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn

Pin lithium-ion truyền thống dùng cho ô tô điện ngày nay có thể lưu trữ 100-265Wh năng lượng trên mỗi kg trọng lượng. Theo Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), pin thể rắn (solid-state battery) có khả năng lưu trữ tới 500Wh/kg, tức là gấp khoảng 2-2,5 lần Pin lithium-ion.

Ưu điểm của Pin thể rắn là sạc nhanh

Thời gian sạc nhanh hơn

Một ưu điểm của pin thể rắn là có thời gian sạc rất nhanh. Trên lý thuyết nghiên cứu lượng tử, việc sạc pin thể rắn có thể đầy ngay lập tức do mật độ năng lượng và sự ổn định điện hóa trong cấu tạo của pin. Thực tế trong các cuộc thử nghiệm, kết quả pin trạng thái rắn có thể sạc nhanh hơn so với các công nghệ pin hiện tại một cách an toàn.

Hiện tại, ô tô điện sử dụng pin lithium-ion truyền thống cần từ 30 đến 40 phút để sạc từ 10% lên 80% nếu sử dụng hệ thống sạc nhanh (DC) cấp độ nhanh nhất - cấp độ 3. Trong khi đó, Toyota khẳng định rằng pin thể rắn của hãng chỉ cần 10 phút để sạc từ 10% lên 80%.

Pin thể rắn an toàn hơn

Theo một bài báo đăng năm 2022 trên tạp chí khoa học Science Direct Journal, pin thể rắn (solid-state battery) được cho là an toàn hơn pin lithium-ion truyền thống.

Do vật liệu điện phân thể rắn ở giữa các điện cực, pin thể rắn có nguy cơ rò rỉ chất độc và nguy cơ cháy thấp hơn. Cháy ô tô điện do hiện tượng tỏa nhiệt từ phản ứng hóa học của pin lithium-ion truyền thống rất khó dập.

Pin thể rắn có thể hoạt động tốt ở dải nhiệt độ rộng hơn

Hiện nay, hạn chế của xe điện là vận hành kém trong điều kiện thời tiết lạnh giá. Cụ thể, phạm vi hoạt động bị rút ngắn, pin sạc chậm hơn và xe chạy yếu hơn. Các vấn đề này được cho là do pin lithium-ion có dải nhiệt độ hoạt động lý tưởng là 10-30 độ C. Nhiều xe điện "khổ sở" trong mùa đông lạnh giá ở Bắc Âu và Bắc Mỹ.

Thêm vào đó, nhiều xe điện ngày nay cũng không hoạt động một cách tối ưu ở các vùng khí hậu nắng nóng khắc nghiệt.

Ngược lại, các nghiên cứu khoa học đã được công bố cho thấy pin thể rắn có thể hoạt động hiệu quả ở dải nhiệt độ từ -40 độ C đến 170 độ C.

Nhược điểm của pin thể rắn

Bên cạnh ưu điểm, pin ở thể rắn cũng còn tồn tại những nhược điểm nhất định như: Rất khó sản xuất quy mô lớn do đây là công nghệ mới, ẩn chứa nhiều sự phức tạp nên chưa tìm ra phương án sản xuất hàng loạt.

Thêm vào đó, pin thể rắn vẫn phải sử dụng cobalt, và thực tế là tất cả các nhà sản xuất pin ô tô điện đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu cobalt vào năm 2028. Hiện tại, pin thể rắn có thể đắt gấp 3-4 lần so với pin lithium-ion truyền thống.

Tương lai nào cho xe điện dùng Pin thể rắn?

Tuy nhiên, các hãng xe cũng đang nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm kể trên nhằm đưa vào sản xuất hàng loạt, hạ giá thành sản phẩm để tăng sức cạnh tranh trên thị trường. Dựa trên các công bố gần đây của các hãng, có vẻ như pin thể rắn sẽ là bước ngoặt lớn tiếp theo trong quá trình điện khí hóa ngành ô tô.

Tuy nhiên, giới chuyên gia dự đoán cần thêm nhiều năm nữa để có thể sản xuất pin thể rắn (solid-state battery) trên quy mô lớn, ít nhất là phải từ sau năm 2030. Từ nay tới lúc đó, pin lithium-ion sẽ vẫn đóng vai trò chủ đạo trong lĩnh vực ô tô điện.

Tại Việt Nam, nhận thấy những tiềm năng, ưu điểm của pin thể rắn, VinFast đã ký kết biên bản hợp tác chiến lược với ProLogium (Đài Loan) - Công ty đầu tiên trên thế giới có dây chuyền thử nghiệm ứng dụng công nghệ pin thể rắn cho ô tô vào tháng 03/2021. Đây được coi là bước đi chiến lược trong việc tự chủ công nghệ pin thể rắn cho dòng xe điện của VinFast. Đồng thời cũng là tiền đề cho việc nghiên cứu, phát triển ra các dòng xe điện thông minh, hiện đại trong tương lai.

Với tầm nhìn và sự đầu tư nghiêm túc, chúng tôi tin rằng những chiếc xe điện đầu tiên được sử dụng công nghệ pin thể rắn của VinFast sẽ sớm xuất hiện trên các nẻo đường Việt Nam và thế giới.