Pin thể rắn là gì? Ưu, nhược điểm của pin thể rắn so với pin lithium-ion

Ô tô điện hiện nay phần lớn đều dùng pin lithium-ion. Tuy nhiên, trong tương lai, loại pin này có thể sẽ bị thay thế bằng pin thể rắn. Thậm chí, pin thể rắn còn được kỳ vọng là sẽ thay đổi toàn bộ ngành công nghiệp ô tô điện.

Vậy pin thể rắn là gì? So với pin lithium-ion, pin thể rắn có những ưu, nhược điểm nào? Hãy cùng tìm hiểu tất cả những điều đó qua bài viết dưới đây của chúng tôi.

Pin lithium-ion là gì?

Trước khi đi vào tìm hiểu về pin thể rắn, chúng ta sẽ cùng nói về pin lithium-ion. Hiện nay, pin lithium-ion đã trở thành chuẩn cho nhiều thiết bị, từ hàng điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh, máy tính xách tay cho đến ô tô, xe đạp và xe máy điện.

Cấu tạo cơ bản của pin lithium-ion bao gồm cực dương (anode), cực âm (cathode), vách ngăn giữa cực âm/cực dương và chất điện phân. Trong đó, cực âm và cực dương sẽ dự trữ lithium. Chất điện phân của pin lithium-ion là dạng dung dịch, có nhiệm vụ kiểm soát sự luân chuyển năng lượng giữa cực dương và cực âm.

Khi pin đang trong quy trình xả và cung cấp dòng điện, cực dương sẽ giải phóng ion lithium đến cực âm, tạo ra dòng chảy electron. Trong quy trình sạc, điều ngược lại sẽ xảy ra và cực âm sẽ giải phóng ion lithium đến cực dương.

Có 2 khái niệm quan trọng liên quan đến pin lithium-ion, đó là mật độ năng lượng và mật độ công suất. Mật độ năng lượng sẽ được đo bằng đơn vị watt giờ trên kilogram (Wh/kg) và đây là năng lượng mà pin có thể dự trữ tỷ lệ với trọng lượng. Trong khi đó, mật độ công suất được đo bằng đơn vị watt trên kilogram (W/kg) và đây là công suất mà pin có thể tạo ra tỷ lệ với trọng lượng. Để dễ hiểu hơn, chúng ta có thể hình dung đến việc rút cạn nước của bể bơi. Mật độ năng lượng chính là kích thước của bể bơi trong khi mật độ công suất có thể so với thời gian rút cạn nước nhanh nhất. Mật độ năng lượng càng cao thì công suất đầu ra của pin càng lớn.

So với các loại pin công nghệ cũ như axit - chì hay niken - hydride kim loại (NiMH), pin lithium-ion có khá nhiều ưu điểm như tuổi thọ dài hơn, hiệu suất tốt hơn ở những nền nhiệt độ khác nhau, có những bộ phận tái chế được và mật độ năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, loại pin này cũng có những nhược điểm. Mặc dù nhẹ hơn công nghệ pin cũ nhưng pin lithium-ion vẫn khá nặng vì dung dịch bên trong. Ngoài ra, pin lithium-ion sẽ hoạt động tốt hơn khi được ghép từ các khối pin, điều này cũng làm tăng trọng lượng. Đó là chưa kể đến việc chất điện phân của pin lithium-ion dễ cháy và không ổn định trong môi trường nhiệt độ cực cao, có thể dẫn đến cháy nổ khi bị hư hỏng hoặc sạc không đúng cách.

Pin thể rắn là gì?

Đúng như tên gọi, pin thể rắn (Solid-State Battery) được trang bị cả điện cực và chất điện phân đều ở trạng thái rắn. Chất điện phân của pin thể rắn có thể làm từ những vật liệu quen thuộc như gốm hoặc thủy tinh. So với pin lithium-ion, pin thể rắn sẽ có ít thành phần hơn, đồng nghĩa với việc ít trục trặc hơn. Trong khi đó, cơ chế hoạt động của pin thể rắn về cơ bản là giống với pin lithium-ion.

Cấu tạo cơ bản của pin lithium-ion (bên trái) và pin thể rắn

Ưu điểm của pin thể rắn

Nhỏ và nhẹ hơn

So với pin lithium-ion cùng kích thước, pin thể rắn có khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn từ 2-10 lần. Điều này đồng nghĩa với việc xe có thể dùng cụm pin mạnh hơn mà không mất thêm diện tích chứa hoặc dùng pin nhỏ gọn hơn nhưng không giảm công suất. Với pin thể rắn, các nhà sản xuất có thể đưa ra những mẫu ô tô điện mạnh hơn, có phạm vi hoạt động dài hơn hoặc xe điện nhỏ hơn và nhẹ hơn.

Ngoài ra, với hiệu suất và mật độ năng lượng cao hơn, pin thể rắn sẽ không đòi hỏi những bộ phận làm mát hay hệ thống quản lý như pin lithium-ion thường có. Điều này giúp giải phóng không gian cho khung gầm và giảm trọng lượng của ô tô điện.

Sạc nhanh hơn

Ngoài mật độ năng lượng cao hơn, pin thể rắn còn được cho là có khả năng sạc nhanh hơn nhiều so với pin lithium-ion. Trên lý thuyết, pin thể rắn chỉ cần khoảng 15 phút để sạc 80% dung lượng. Chưa hết, pin thể rắn có thể còn giải quyết được tình trạng thoái hóa pin khi người lái thường xuyên dùng bộ sạc nhanh cho ô tô điện.

Vào hồi tháng 5 năm nay, công ty QuantumScape đặt trụ sở tại San Joe, bang California, Mỹ, đã tung ra dữ liệu cho thấy pin thể rắn với chất điện phân bằng gốm đã trải qua 400 chu kỳ sạc từ 10 - 80% mà không bị giảm dung lượng. Ông Asim Hussain, giám đốc marketing của QuantumScape cho biết, pin thể rắn giữ được khoảng "trên 80% dung lượng dù thử nghiệm ở nhiều nhiệt độ khác nhau". Nhiệt độ thử nghiệm dao động từ 25 - 45 độ C, theo tiết lộ của công ty này. Cũng theo QuantumScape, pin lithium-ion "không được thiết kế để sạc nhanh liên tục".

Tuổi thọ cao hơn

Như đã nhắc ở trên, pin thể rắn không bị thoái hóa hay giảm dung lượng nhiều như pin lithium-ion khi liên tục sạc nhanh. Điều này sẽ giúp pin thể rắn có tuổi thọ cao hơn pin lithium-ion. Đồng thời, pin thể rắn cũng giúp giảm bớt nỗi lo về tình trạng cả núi pin lithium-ion độc hại cần được tái chế sau 100.000 - 150.000 dặm (160.000 - 240.000 km).

An toàn hơn

Pin thể rắn được thiết kế để giảm tình trạng tỏa nhiệt, có thể gây cháy. Đây là một trong những nhược điểm lớn của pin lithium-ion. Ngoài ra, pin lithium-ion còn có nguy cơ bị rò rỉ các hóa chất độc hại. Do đó, pin thể rắn được coi là giải pháp an toàn hơn.

Pin thể rắn có khá nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion

Nhược điểm của pin thể rắn

Ngoài những ưu điểm kể trên, pin thể rắn cũng có một số nhược điểm nhất định, ví dụ như khó sản xuất với số lượng lớn. Nguyên nhân là do thiết kế chất điện phân vừa ổn định, vừa trơ về mặt hóa học và dẫn ion tốt giữa 2 cực không phải chuyện đơn giản. Pin thể rắn vừa tốn chi phí sản xuất vừa dễ bị vỡ vì tính chất giòn gãy của chất điện phân khi nở ra và co vào trong quá trình sử dụng.

Một nhược điểm nữa của pin thể rắn là chi phí sản xuất vẫn còn cao. Hiện nay, chi phí sản xuất pin thể rắn gấp khoảng 8 lần so với pin lithium-ion.

Vào thời điểm hiện tại, pin thể rắn mới được dùng cho một số thiết bị như máy tạo nhịp tim và đồng hồ thông minh. Theo các chuyên gia, phải mất từ 3-5 năm nữa mới có thể sản xuất đại trà loại pin này cho ô tô điện.

Các công ty đang "đặt cược" vào pin thể rắn

Toyota là một trong những hãng ô tô tiên phong trong việc cố gắng sản xuất đại trà pin thể rắn. Theo một số nguồn tin, pin thể rắn của Toyota hiện có tuổi thọ chưa cao. Ngoài việc nghiên cứu nội bộ, Toyota còn kết hợp với hãng Panasonic để phát triển pin thể rắn.

Không chịu thua kém, tập đoàn Volkswagen của Đức cũng đầu tư vào công ty pin QuantumScape kể trên. Công ty có sự chống lưng của tỷ phú Bill Gates này đặt mục tiêu sẽ phát triển pin thể rắn cho ô tô điện của Volkswagen từ năm 2024, sau đó sẽ đến các hãng xe khác. Theo Volkswagen, pin thể rắn của QuantumScape sẽ mang đến phạm vi di chuyển dài hơn 30% so với loại lithium-ion và sạc 80% dung lượng trong thời gian chỉ 12 phút.

Trong khi đó, tập đoàn Stellantis đã thành lập một liên doanh có tên Automotive Cells Co with TotalEnergies và liên kết với Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL) của Trung Quốc nhằm đạt mục tiêu giới thiệu pin thể rắn vào năm 2026. Hiện nay, CATL là hãng sản xuất pin lớn nhất thế giới.

Ford và BMW lại cùng nhau đầu tư 130 triệu USD vào công ty khởi nghiệp Solid Power. Công ty này khẳng định pin thể rắn của họ có mật độ năng lượng lớn hơn 50% so với pin lithium-ion. Hãng Ford hi vọng có thể giảm 40% chi phí cho pin ô tô điện vào giữa thập kỷ này.

Tập đoàn Hyundai đến từ Hàn Quốc chọn đầu tư 100 triệu USD cho công ty khởi nghiệp có tên SolidEnergy Systems. Kế hoạch của Hyundai là sản xuất đại trà pin thể rắn vào năm 2030. Samsung SDI - một công ty thành viên của hãng điện tử Samsung - cũng đang phát triển pin thể rắn của riêng mình.

Riêng Tesla - hãng ô tô điện hàng đầu thế giới - lại chưa từng bày tỏ ý định muốn phát triển hay sử dụng pin thể rắn cho xe của mình.