Pin thể rắn là gì? Cách sử dụng pin thể rắn 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 thay thế chất lỏng hoặc polyme để dẫn ion như pin lithium-ion hoặc pin lithium-ion polyme. Pin thể rắn được xem là công nghệ pin tiên tiến với nhiều ưu điểm hơn pin lithium-ion

Pin thể rắn là gì?

Pin thể rắn là loại pin có cả hai thành phần “điện cực” và “chất điện phân” đều ở trạng thái rắn. Chúng thay thế chất lỏng hoặc Polyme để dẫn ion như pin Li-ion hoặc pin Li-ion polyme.

Chất liệu sử dụng làm chất điện phân trong pin thể rắn có thể là các oxit O2–, sulfide S2−, phosphat [PO4]3−, hoặc polymer ở trạng thái rắn. Pin thể rắn được áp dụng trong các máy tạo nhịp tim nhân tạo, RFID, thiết bị đeo và xe điện. Pin thể rắn an toàn hơn, có mật độ năng lượng cao hơn nhưng sản xuất đắt 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 áp dụng trong nhiều lĩnh vực như ô tô, xe máy, máy bay, tàu biển,... và cả các phương tiện quân sự. Nhiều chuyên gia dự đoán rằng, trong tương lai loại pin này có thể 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 như:

• Gốm, như Lithium orthosilicate Li4SiO4, perovskite Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO), và garnet Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO) 
• Thủy tinh, như Lithium-Germanium-Phốt pho-Sulfide 
• Sulfides, như Lithium phosphorus sulfide Li3PS4
• Polyme trạng thái rắn, như polyether, nitrile, polyester, polyurethane, polysiloxane,…

Các loại chất điện phân thể rắn đa dạng có các đặc tính và ưu nhược điểm riêng. Ví dụ, chất điện phân gốm có độ dẫn ion cao và bền cơ học tốt, nhưng khó xử lý và dễ bị nứt vỡ khi sạc/phóng. Chất điện phân thủy tinh có độ dẫn ion thấp hơn và dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí hoặc nước. Chất điện phân sulfide có độ dẫn ion cao và dễ xử lý, nhưng bền kém và dễ phản ứng với cực âm kim loại. 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 đa dạng loại pin thể rắn, phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của pin. Một số ví dụ là:

• Pin gốm: Sử dụng các chất điện phân oxit rắn, như Lithium orthosilicate Li4SiO4, perovskite Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO), và garnet Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZO). Pin 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 hợp chất của Lithium, Germanium, Phốt pho và Lưu huỳnh. Pin 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 sulfide của Lithium, như Lithium phosphorus sulfide Li3PS4. Pin sulfide có độ dẫn ion cao và dễ xử lý, nhưng có độ bền kém và dễ phản ứng với cực âm kim loại.
• Pin polyme: Sử dụng các chất điện phân rắn là polyme trạng thái rắn, như polyether, nitrile, polyester, polyurethane, polysiloxane,… Pin polyme có độ dẫn ion thấp hơn và cần nhiệt độ cao để hoạt động hiệu quả.

Loại pin thể rắn khác nhau có các 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 xe ô tô điện

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 cao. Do đó, pin thể rắn được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này.

Pin thể rắn cho xe 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 hãng 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 điện. 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:

Pin thể rắn có chi phí sản xuất cao vì cần sử dụng vật liệu và thiết bị đặc biệt, điều này làm tăng chi phí so với pin lithium-ion. Ngoài ra, việc thiết kế và tích hợp cũng gặp khó khăn vì cần có kết cấu chắc chắn và liên kết tốt giữa các thành phần để tránh nứt hoặc bong tróc, đòi hỏi kỹ thuật cao.