Pin li-ion cũng như pin lithium-ion có mặt trong hàng tỉ thiết bị đang vận hành trên toàn cầu hiện nay là một công nghệ đã bộc lộ nhiều bất cập. Và trong số nhiều công nghệ lưu trữ năng lượng mới, pin thể rắn đang nổi lên như "kẻ đoạt ngôi" sáng giá nhất.
Công nghệ di động ngày càng phát triển nhanh theo cấp số nhân, nhưng công nghệ pin li-ion cũng như pin lithium-ion dường như không theo kịp với nhịp độ đó, và mau chóng bị lạc hậu.
Công nghệ pin li-ion chính thức được thương mại hóa từ năm 1991 nhờ hãng Sony (Nhật Bản), nhưng nay đã trở nên không còn đáp ứng được sự thay đổi mau chóng của thế giới và đang đứng trước nguy cơ bị thay thế. Hiện chúng ta đã đạt đến giới hạn vật lý của những thiết kế pin lithium-ion và lithium-polymer thông thường. Tuy nhiên, giới công nghệ và người dùng có thể trông đợi vào một giải pháp cho pin một cách toàn diện hơn - Đó là công nghệ pin thể rắn.
 |
| Quy trình và cách bố trí các điện cực sạc của một pin thông thường hiện nay. |
Trước hết, pin thể rắn là gì? - Đó là câu hỏi cần phải giải đáp, để mọi người cùng hiểu.
Với dạng pin truyền thống, phổ biến nhất là loại pin lithium-ion, chúng được thiết kế theo cách dùng hai điện cực kim loại rắn (âm và dương) đặt vào trong một chất điện phân là muối lithium lỏng. Trong môi trường này, các hạt ion chuyển động từ điện cực âm (cathode) sang điện cực dương (anode) khi pin sạc, và theo chiều ngược lại khi pin xả. Còn chất điện phân lỏng (muối lithium) là môi trường cho phép các hạt ion chuyển động qua lại giữa hai điện cực. Không ít người trong chúng ta từng chứng kiến những viên pin bị ăn mòn vỏ ngoài (điện cực âm) hoặc bị thủng, khiến viên pin bị chảy ra thứ dung dịch "sền sệt" - đó chính là chất điện phân lỏng của pin. Đôi khi, pin vẫn bị phát nổ, nhưng việc này ít người thấy hơn, là do pin bị "chập mạch", một sự cố kỹ thuật không đáng có gây nên.
Còn với pin thể rắn là khác hẳn. Người ta thiết kế cả điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân giữa chúng đều là những mảnh kim loại hay hợp kim, hoặc một số vật liệu tổng hợp khác nhưng cùng ở thể rắn. Thuật ngữ "thể rắn" ở đây có thể khiến bạn liên tưởng đến các ổ cứng thể rắn (SSD) và đó không phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Ổ đĩa lưu trữ thể rắn sử dụng bộ nhớ flash và không có bộ phận chuyển động, trái ngược với ổ đĩa cứng truyền thống vốn lưu trữ dữ liệu trên đĩa từ và khi hoạt động, một mô tơ nhỏ làm quay các đĩa vật lý để đọc hoặc ghi dữ liệu.
Mặc dù ý tưởng về pin thể rắn đã có từ nhiều thập kỷ, nhưng cho tới nay, những tiến bộ khoa học đạt được để phát triển loại pin này mới chỉ ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, công nghệ pin này hiện đang ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm và đầu tư từ các công ty điện tử, từ các nhà sản xuất xe hơi cho đến các công ty công nghệ và các công ty công nghiệp nói chung.
 |
| Công ty TDK (Nhật Bản) đang hứa hẹn sớm thương mại hóa những viên pin thể rắn kích thước nhỏ hơn đầu ngón tay,có thể sạc lại lên đến 1.000 lần. |
Pin thể rắn hứa hẹn có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ pin li-ion và pin lithium-ion tiền nhiệm (vốn sử dụng chất điện phân lỏng). Đó là tuổi thọ pin cao hơn, thời gian sạc nhanh hơn và an toàn hơn. Đặc biệt, pin thể rắn cho phép ta sạc lại đến 1000 lần, điều mà công nghệ pin cũ không cho phép.
Về cấu tạo, bên trong các viên pin thể rắn, các cực dương, cực âm và chất điện phân được xếp thành ba lớp phẳng chồng lên nhau, thay vì nhúng toàn bộ các điện cực (dương và âm) trong chất điện phân lỏng như công nghệ cũ. Chính điều đó sẽ giúp các nhà sản xuất có thể tạo ra những cục pin rất nhỏ, nhỏ hơn loại các pin cũ rất nhiều, đồng thời còn phẳng và dẹt hơn - so với các loại pin lỏng có dung lượng tương đương.
Vì vậy, nếu thay thế pin lithium-ion hoặc lithium-polymer trong điện thoại hoặc máy tính xách tay hiện tại của mình bằng một cục pin thể rắn có cùng kích thước, chúng ta sẽ có được thời lượng sử dụng pin dài hơn. Hoặc các nhà sản xuất cũng có thể sản xuất ra một thiết bị có thời lượng pin tương đương, nhưng có kích thước nhỏ và mỏng hơn nhiều.
Không những thế, pin thể rắn cũng an toàn hơn cho người sử dụng, vì chúng không chứa chất lỏng dễ cháy, độc hại, và chúng cũng không tạo ra nhiều nhiệt lượng khi sử dụng như pin sạc thông thường. Khi sử dụng pin này cho các thiết bị điện tử, thậm chí là cả các loại xe điện hiện nay, chúng cũng giúp chúng ta có nhiều thời gian hơn nhờ tốc độ sạc pin nhanh hơn rất nhiều, bởi thiết kế pin thể rắn được xếp theo lớp nên các ion trong nó có thể di chuyển nhanh hơn từ cực âm đến cực dương.
Theo những nghiên cứu mới nhất, pin thể rắn có thể có dung lượng cao gấp 5 lần so với các pin sạc thông thường, trong khi thời gian sạc chỉ bằng 1/10.
TDK, một công ty của Nhật Bản chuyên cung cấp linh kiện điện tử, đang rất sốt sắng trong việc tiên phong sản xuất pin thể rắn. Hiện họ đã phát triển thành công những viên pin rất nhỏ, còn nhỏ hơn đầu ngón tay người với khả năng sạc lại lên đến 1.000 lần.
Tuy có nhiều ưu điểm như vậy, nhưng pin thể rắn hiện vẫn đang gặp nhiều "rào cản", và rào cản lớn nhất chính là giá cả. Vào năm 2012, các chuyên gia tại bộ phận Phân tích phần mềm và Phát triển Vật liệu Tiên tiến của Đại học Florida đã ước tính rằng, mỗi viên pin thể rắn được sản xuất ra với dung lượng tương đương với viên pin đang được dùng trong một chiếc điện thoại di động hiện nay sẽ tiêu tốn khoảng 15.000 USD. Còn một viên pin thể rắn với dung lượng đủ lớn để cung cấp năng lượng cho một chiếc xe điện sẽ có giá 100.000 USD.
Một khó khăn khác đối với việc sản xuất pin thể rắn là vật liệu. Hiện các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra được chất hoá học nào là tối ưu để dùng cho chất điện phân rắn giữa cực dương kim loại và cực âm trong loại pin này. Các nghiên cứu vẫn đang được tiến hành và dần giải quyết được vấn đề này; tuy nhiên vẫn cần thời gian để thử nghiệm, thu thập các dữ liệu đáng tin cậy hơn trước khi các nhà sản xuất tiến hành khai thác vật liệu và đầu tư vào các dây chuyền sản xuất quy mô lớn.
Dù là vậy, nhưng điều đáng khích lệ đó là nhiều tập đoàn lớn đã bắt tay vào đầu tư nghiên cứu để sớm đưa pin thể rắn đến với thị trường tiêu dùng. Chẳng hạn một công ty xe hơi từng cho biết, họ đã sẵn sàng sử dụng pin thể rắn cho một dòng xe của mình vào năm 2023, nhưng không cho biết mức giá ước tính của chiếc xe. Năm năm, mười năm thậm chí có thể lâu hơn để pin thể rắn có thể trở thành công nghệ đại trà - chúng ta hãy chờ xem!
 |
CÙNG CHUYÊN MỤC
