Các nhà nghiên cứu của Harvard đã tạo ra một loại pin thể rắn có thể sạc trong 10 phút và sử dụng được trong 30 năm, nhưng công nghệ được quảng cáo rầm rộ này vẫn là một giải pháp lâu dài cho quá trình chuyển đổi năng lượng.
Hình ảnh 3D của quá trình sản xuất pin thể rắn. Nguồn: Ảnh Phonlamai/Shutterstock.
Mọi người đang chậm rãi nhưng chắc chắn đón nhận xe điện (EV), nhưng tốc độ của quá trình chuyển đổi đó vẫn cần phải tăng tốc để thế giới đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. Bất chấp những cải tiến theo cấp số nhân của xe điện, nhiều tài xế vẫn không muốn rời đi đằng sau sự tiện lợi của những chiếc xe chạy bằng xăng của họ. Cùng với chi phí, những lo ngại về việc thiếu trạm sạc và thời lượng pin được coi là rào cản chính đối với người tiêu dùng Mỹ khi mua xe điện trong một cuộc khảo sát của Ipsos Mori năm ngoái. Đối với các nhà sản xuất ô tô, phần lớn điều này xuất phát từ những hạn chế dai dẳng về phạm vi hoạt động và tuổi thọ của pin lithium-ion (Li-ion) hiện có dưới nắp ca-pô của xe điện.
Tuy nhiên, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Harvard tin rằng họ đã thực hiện được một bước quan trọng trong việc giải quyết những tình thế khó khăn này. Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng (SEAS) đã phát triển một loại pin “trạng thái rắn” mới có thể sạc trong thời gian cần thiết để đổ đầy bình xăng và chịu đựng chu kỳ sạc nhiều hơn 3-6 lần so với xe điện thông thường. ắc quy.
Pin thể rắn từ lâu đã được coi là chén thánh cho quá trình chuyển đổi rộng rãi sang phương tiện giao thông điện khí hóa và cuộc chạy đua thương mại hóa chúng đã tăng tốc trong những năm gần đây. Những hãng như Toyota và Volkswagen đang phát triển các phiên bản của riêng họ và hy vọng sẽ được đưa vào sử dụng trên ô tô vào cuối thập kỷ này. Với sự thúc đẩy của cải tiến mới nhất này từ Harvard, liệu pin thể rắn cuối cùng đã sẵn sàng đáp ứng được kỳ vọng của họ chưa?
Lợi ích của chất điện phân rắn so với chất lỏng
Ngày nay, pin Li-ion đang thống trị; chúng được sử dụng trong mọi thứ, từ điện thoại di động và máy tính xách tay đến xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất đã giảm giá pin Li-ion tới 90% trong thập kỷ qua và tin rằng họ vẫn có thể làm cho chúng rẻ hơn. Họ cũng tin rằng họ có thể tạo ra loại pin lithium tốt hơn nữa.
Những loại pin này sử dụng chất điện phân lỏng để di chuyển các ion giữa cực âm và cực dương khi phóng điện và sạc. Tuy nhiên, chất lỏng dễ cháy và ngăn cản việc bổ sung các vật liệu giúp kéo dài tuổi thọ của pin. Các nhà nghiên cứu tin rằng một giải pháp sẽ là sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng.
Xem thêm:
- Các nhà nghiên cứu của Aston Uni mở đường cho pin lithium-ion an toàn hơn và xanh hơn
- Lương hưu của tiểu bang Hoa Kỳ có nguy cơ “tiết kiệm khó kiếm được” bằng cách bỏ qua rủi ro khí hậu
Những loại pin thể rắn này hứa hẹn có nhiều lợi thế hơn so với các loại pin dạng lỏng. Trên hết, chúng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn; nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị thể tích hoặc trọng lượng, dẫn đến tuổi thọ pin dài hơn hoặc bộ pin nhỏ hơn, nhẹ hơn. Họ cũng hứa hẹn một vòng đời dài hơn; chịu được nhiều chu kỳ sạc-xả hơn mà không bị suy giảm, từ đó tăng tuổi thọ của pin. Việc sử dụng chất điện phân rắn cũng cho phép sạc nhanh hơn nhiều mà không có nguy cơ làm hỏng pin do vận chuyển ion hiệu quả hơn.
Pin thể rắn có thể hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rộng hơn pin lỏng, cho phép sử dụng tốt hơn trong thời tiết khắc nghiệt. Chúng thường được coi là an toàn hơn vì chất điện phân rắn giúp giảm nguy cơ đoản mạch và quá nhiệt, có thể dẫn đến cháy hoặc nổ ở pin lỏng. Cuối cùng, chất điện phân rắn có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn.
Nhìn chung, pin thể rắn có tiềm năng cách mạng hóa ngành công nghiệp pin bằng cách cải thiện hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ so với pin lithium-ion truyền thống. Teo Lombardo, một nhà mô hình hóa năng lượng cho biết: “Do mật độ năng lượng cao, pin thể rắn sẽ phù hợp nhất cho xe điện thay vì hệ thống lưu trữ năng lượng [cố định] và thực sự có thể là nhân tố chính góp phần điện khí hóa các phương tiện vận tải hạng nặng”. vận tải tại Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA).
“Bước nhảy vọt” trong thiết kế pin thể rắn
Các nhà nghiên cứu của SEAS đã phát triển một loại pin có kích thước bằng tem bưu chính bằng cách sử dụng thiết kế “túi đựng”, thay vì biến thể “pin đồng xu” thông thường. Pin vẫn giữ được 80% dung lượng sau 6.000 chu kỳ sạc và hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp. Nó hoạt động tốt hơn các loại pin thể rắn khác khi các nhà nghiên cứu tìm ra cách chế tạo nó bằng cực dương kim loại lithium, có công suất gấp 10 lần cực dương than chì thông thường.
Thiết kế nhiều lớp, nhiều vật liệu mới có thể khắc phục được vấn đề phổ biến về “dây nhánh” – những cấu trúc giống rễ cây mọc từ bề mặt cực dương vào chất điện phân. Những thứ này có thể xuyên qua hàng rào ngăn cách cực âm đối diện, khiến pin bị đoản mạch và đôi khi bắt lửa.
Tuổi thọ kéo dài của pin – tương đương khoảng 30 năm – có thể giảm đáng kể chi phí của xe điện, trong khi khả năng sạc pin chỉ trong vài phút mang lại cho pin mật độ năng lượng đặc biệt có thể phù hợp với các ứng dụng khác.
“Chúng tôi có thể sạc pin trong 5–10 phút trong 6.000 chu kỳ; Xin Li, phó giáo sư khoa học vật liệu tại SEAS, đồng thời là nhà nghiên cứu chính của dự án, cho biết pin EV thường mất vài giờ để sạc và chúng có từ 1.000 đến 2.000 chu kỳ. “Nghiên cứu của chúng tôi cũng cho thấy bạn có thể sử dụng các vật liệu khác làm cực dương, chẳng hạn như bạc, magie hoặc silicon. Đây chắc chắn là một bước nhảy vọt hướng tới việc mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt pin thể rắn.”
“Từ phòng thí nghiệm đến thế giới thực”
Tuy nhiên, không phải ai cũng bị thuyết phục. Lombardo cho biết: “Thách thức hiện tại của pin thể rắn là việc triển khai và mở rộng quy mô, thay vì đạt được thứ gì đó thậm chí còn tốt hơn ở cấp độ tế bào”.
Từ góc độ kỹ thuật, một thách thức mà ngành công nghiệp vẫn chưa vượt qua là sản xuất một bộ pin thể rắn có khả năng chịu được áp suất cực cao đồng thời có thể “thở” – giãn nở và co lại. Lombardo cho biết: “Giải pháp cho vấn đề này có thể phủ nhận mức tăng mật độ năng lượng của pin thể rắn, vì vậy đó thực sự là một câu hỏi mà ngành công nghiệp cần trả lời trong những năm tới thông qua quá trình mở rộng quy mô”.
Từ góc độ an toàn, một vấn đề khác mà các nhà sản xuất thể rắn cần khắc phục là ngay cả khi pin thể rắn không bắt lửa khi đoản mạch thì các vật liệu khác trong động cơ vẫn có thể bắt lửa. Lombardo cho biết: “Một lần nữa, đây là một thách thức kỹ thuật cần được thử nghiệm và xác minh ở cấp độ công nghiệp”.
Cuối cùng, có trở ngại đáng kể trong việc xây dựng chuỗi cung ứng pin thể rắn. Theo Lombardo, chuỗi cung ứng pin yêu cầu vật liệu chất lượng cao với khối lượng rất lớn, vì pin không thể hoạt động ngay cả với một lượng chất gây ô nhiễm rất nhỏ. “Việc xây dựng đó mất nhiều thời gian,” ông nói. “Đó cũng là do lĩnh vực pin rộng hơn đang tăng trưởng theo cấp số nhân, do đó, trạng thái rắn không tham gia vào một thị trường cố định mà là một thị trường mà mọi công nghệ – bao gồm cả pin lithium-ion truyền thống – đang cải thiện cực kỳ nhanh chóng và bạn cần đạt được một số không gian trong đó.”
Đối với Lombardo, sự thành công của pin thể rắn sẽ không đến từ những đột phá học thuật mới – ông lưu ý rằng “nghiên cứu này rất quan trọng”, mà là cách ngành công nghiệp giải quyết những thách thức kỹ thuật còn lại và phát triển chuỗi cung ứng liên quan.
Ông nói: “Pin thể rắn có rất nhiều tiềm năng, nhưng cách ngành giải quyết những thách thức [kỹ thuật] này sẽ quyết định liệu chúng có chiếm lĩnh thị trường pin EV hay chúng vẫn là một ứng dụng thích hợp cho ô tô và xe tải chạy đường dài”.
Theo nghiên cứu gần đây của Focus, một nền tảng phân tích AI dự đoán những đột phá công nghệ dựa trên dữ liệu bằng sáng chế toàn cầu, công nghệ pin thể rắn đang cải thiện với tốc độ 31% so với cùng kỳ năm ngoái. Mặc dù rất ấn tượng nhưng tốc độ đó hiện chưa đủ để phá vỡ các công ty hiện tại – với pin Li-ion đang cải thiện ở mức tương tự 30,5%.
IEA đã dự báo rằng pin thể rắn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi về không, đặc biệt là khử cacbon trong vận tải hạng nặng thông qua các ứng dụng như xe tải điện. Lombardo nói: “Nhưng điều quan trọng là chúng tôi không đánh giá quá cao hoặc đánh giá thấp ngành này”. Ông dự đoán, nếu pin thể rắn thành công trong việc phát huy hết tiềm năng của chúng thì sẽ xảy ra vào khoảng những năm 2030. “Ngay bây giờ, chúng thực sự cần được chuyển từ phòng thí nghiệm sang thế giới thực.”
Về phần mình, Li tin rằng phải đến khoảng năm 2030 thì thể rắn mới trở thành xu hướng chủ đạo. Ông nói: “Trước đó, vẫn còn nhiều rào cản kỹ thuật cần vượt qua”. “Những đột phá [gần đây] không nhất thiết đẩy thời hạn năm 2030 đó về phía trước, mà chúng khiến thời điểm đó trở nên khả thi.”
Mời đối tác xem hoạt động của Pacific co.ltd:
Fanpage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLtd
