Công nghệ pin xe điện thể rắn sắp được thương mại hóa

Theo Clean Technica, hiện tại, pin xe điện được phát triển dựa trên dòng pin lithium-ion thông thường, được sử dụng rộng rãi trong hầu hết thiết bị lưu trữ điện năng. Pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng để vận chuyển các ion lithium giữa hai điện cực.

Chất điện phân lỏng này được phát triển từ những năm 1990, nên cần có sự thay đổi để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của xe điện. Bởi chất điện phân dạng lỏng sẽ cạn kiệt sau một số chu kỳ sạc nhất định, nên dễ gây cháy nổ khi phải làm việc trong môi trường có nhiệt độ tăng cao. Hạn chế này khiến các nhà sản xuất khó giảm kích thước của bộ pin trong xe điện. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng đòi hỏi pin xe điện phải có chi phí hợp lý, hoạt động ổn định hơn, có thể giải quyết các vấn đề về môi trường cũng như phục hồi tài nguyên trong chuỗi cung ứng pin. Vì thế, các hãng xe điện kỳ vọng pin xe điện thể rắn có khả năng sạc nhanh hơn và mật độ năng lượng cao hơn pin lithium-ion hiện nay.

"Chất rắn" trong pin xe điện thể rắn chính là chất điện phân rắn. Công nghệ này được khám phá từ những năm 1800. Tuy nhiên, khả năng vận chuyển các hạt điện tích trong chất điện phân rất thấp so với chất điện phân lỏng. Vì thế, hiệu suất của pin thể rắn ở thời điểm đó không cao so với pin thể lỏng trong trường hợp sử dụng vật liệu rắn thông thường, rẻ tiền. Đó chính là nguyên nhân khiến pin thể rắn chưa được sử dụng rộng rãi.

Hạn chế này dường như đã được khắc phục khi các nhà khoa học có bước đột phá quan trọng khi Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ ở Tennessee nghiên cứu kỹ lưỡng chất điện phân lithium photpho oxynitride (LiPON) rắn do phòng thí nghiệm phát triển vào những năm 1990. Triển khai kết hợp phép đo phản xạ và điện hóa, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra lớp kích thước nano có độ dày khoảng 70 nguyên tử là chìa khóa để hình thành pha xen kẽ ổn định giữa LiPON vật liệu điện phân rắn và lithium. Hiện tại, các nhà khoa học đang thực hiện các nghiên cứu tiếp theo, tiến hành điều chỉnh lớp giao diện tiếp xúc này để tối ưu hóa hiệu suất pin cũng như thử nghiệm với những chất điện phân trạng thái rắn khác.

Cũng với mong muốn tìm giải pháp phát triển pin thể rắn nhẹ hơn, có hiệu suất cao hơn, công ty khởi nghiệp ProLogium Technology tại Đài Loan (Trung Quốc) đã giới thiệu phiên bản mới của pin xe điện trạng thái rắn, sử dụng chất điện phân gốm oxit. Pin xe điện mới có tính năng dẫn nhiệt và ổn định nhiệt cao trong những tính năng lý hóa của sản phẩm, đòi hỏi phải có hệ thống kiểm soát nhiệt độc lập. Nghiên cứu của ProLogium Technology được kỳ vọng sẽ khắc phục được hiện tượng quá nóng vốn được xem là một trong những thách thức không nhỏ không chỉ với thiết kế pin EV điện phân lỏng. Bởi kiểm soát nhiệt cũng là vấn đề lớn với pin thể rắn. ​​

Để có được kết quả bước đầu đáng ghi nhận này, ProLogium Technology đã hợp tác cùng Công ty MAHLE (Đức) phát triển hệ thống được thiết kế riêng cho dòng pin mới. Vincent Yang - người sáng lập kiêm CEO của ProLogium Technology khẳng định: Sự hợp tác giữa hai công ty tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật pin thế hệ tiếp theo là bước tiến nhảy vọt trong tiến trình xác lập và định hình chuỗi giá trị pin mang tính cách mạng, điều kiện quan trọng thúc đẩy tiến trình công nghiệp hóa pin thể rắn.

Hiện tại, liên doanh đang tập trung phát triển nguyên mẫu pin xe điện thể rắn. Nếu quá trình nghiên cứu diễn ra đúng kế hoạch, pin xe điện sẽ có thêm yếu tố quan trọng nhất, gia tăng khả năng thương mại hóa để có mặt trên thị trường. Khi được hoàn thiện, pin xe điện thể rắn ProLogium-MAHLE sẽ sử dụng các cực dương oxit silic 100% của ProLogium và hệ thống kiểm soát nhiệt do MAHLE thiết kế.

Đến nay, trở ngại lớn nhất của pin xe điện thể rắn vẫn là giá bán. Theo báo cáo của Bộ Năng lượng Mỹ, giá ước tính năm 2022 là 153 USD/kWh với cơ sở sản xuất có quy mô 100 nghìn đơn vị pin EV thể rắn mỗi năm. Tuy nhiên, Bộ Năng lượng Mỹ cũng đặt mục tiêu giảm thêm 50% chi phí cho pin EV vào năm 2030. Như vậy, pin EV thể rắn có điều kiện để thương mại hóa.

ProLogium Technology `cũng cho rằng: Một trong những ưu điểm của pin thể rắn là mật độ năng lượng cao, có thể mang lại sức mạnh tương tự pin thông thường, nhưng chiếm ít không gian hơn trong xe, góp phần giảm chi phí chung. Đồng thời, pin thể rắn có thể giảm sử dụng nguyên liệu thô và rác thải sản xuất, qua đó tạo điều kiện cho các hãng giảm giá thành xe trong tương lai. Hơn thế, chi phí sản xuất pin EV thể rắn sẽ được bù đắp bằng vòng đời khai thác sử dụng và khả năng sạc nhanh của chúng.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong lĩnh vực pin xe điện, nhất là dựa trên những ưu điểm của pin xe điện thể rắn sẽ đẩy nhanh quá trình giảm giá thành và khả năng phổ dụng của loại pin mới này, không chỉ trong lĩnh vực xe điện mà trên các lĩnh vực lưu trữ năng lượng khác.