Công nghệ di động đang phát triển với tốc độ chóng mặt, nhưng cuộc cách mạng về pin thường chậm hơn rất nhiều so với các sản phẩm công nghệ khác. Chúng ta đã đạt tới mức giới hạn mà những gì pin lithium-ion hay lithium-polymer có thể làm được. Tuy nhiên điều đó rất có thể thay đổi trong tương lai gần và giải pháp cho vấn đề này là pin thể rắn.
Thế nào là pin thể rắn?
Trong thiết kế pin thông thường – hầu hết các pin lithium-ion – sẽ có 2 điện cực rắn và chất điện giải là chất lỏng. Các phân tử ion chuyển từ điện cực âm (ca-tốt) sang điện cực dương (a-nốt) khi pin được sạc và theo chiều ngược lại khi pin được sử dụng. Chất điện giải (muối lithium) giúp trung chuyển các hạt ion qua lại giữa hai điện cực. Nếu thấy pin bị ăn mòn hay thủng, bạn sẽ thấy chất “axit pin” chảy ra đó chính là chất điện giải.
Với thiết kế pin thể rắn, các điện cực và chất điện giải đều ở dạng thể rắn như kim loại, hợp kim hay một số vật liệu tổng hợp khác. “Thể rắn” là từ có thể khiến bạn nghĩ tới ổ cứng thể rắn (SSD) nhưng không phải vậy. Ổ SSD dùng bộ nhớ flash không thể di chuyển, trái với ổ cứng thông thường vốn lưu dữ liệu trên đĩa từ được quay bằng một mô-tơ nhỏ.
Những viên pin thể rắn có nguyên tắc hoạt động tương tự như những viên pin thông thường, nhưng việc thay đổi trong vật liệu kéo theo một số thay đổi trong thuộc tính của pin, bao gồm dung lượng lưu trữ tối đa, thời gian sạc, kích thước và độ an toàn của pin.
Được xem là bước tiến mới trong công nghệ pin, xuất hiện trong nhiều năm nhưng việc phát triển pin thể rắn mới chỉ ở giai đoạn đầu, hiện đang được các công ty điện tử, các hãng sản xuất xe điện đầu tư nghiên cứu.
Điểm mạnh của pin thể rắn
So với các loại pin tiêu dùng hiện nay thì pin thể rắn có lợi thế hơn ở chỗ: nó có thể sạc nhanh hơn gấp 6 lần, dung lượng cao hơn gấp đôi, tuổi thọ khi sử dụng có thể lên đến 10 năm thay vì 2 năm như bây giờ, và không có các thành phần dễ cháy.
Tiết kiệm không gian: Thay vì phải có lớp ngăn cách dầy giữa các dung dịch hóa chất lỏng trong pin thông thường, những viên pin thể rắn chỉ cần một lớp màng ngăn rất mỏng để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch. việc chuyển đổi từ chất điện phân dạng lỏng sang dạng rắn là giúp gia tăng mật độ điện tích trong viên pin. Như vậy, chỉ cần đổi vật liệu mới, có thể tiết kiệm không gian gấp gần 7 lần so với trước.
Kéo dài tuổi thọ pin: Các loại Pin thông thường không duy trì được dòng sạc sau khoảng một thời gian, điều đó khiến cho phần cứng hoạt động không ổn định, khởi động lại, hay thậm chí dừng hoạt động sau nhiều năm sử dụng. Với những viên pin thể rắn, có thể kéo dài tuổi thọ lâu hơn mà không cần thay thế pin cho các thiết bị công nghệ điện tử.
Khả năng dẫn điện cao: các chất điện phân trong pin thể rắn có khả năng dẫn điện chỉ kém hơn một chút so với các tế bào pin Lithium Ion dạng lỏng. Điều này cũng có nghĩa là các viên pin thể rắn có thể có cường độ dòng điện và dung tích tương đương với các tế bào pin Lithium Ion hiện nay, trong khi chúng vẫn có ưu thế hơn kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ kéo dài.
An toàn hơn cho người sử dụng: Pin thể rắn không chứa chất lỏng dễ cháy, độc hại, và chúng không tạo ra nhiều nhiệt lượng khi sử dụng như pin sạc thông thường.
Điểm yếu pin thể rắn
Bởi pin thể rắn là một công nghệ mới xuất hiện và vẫn đang trong quá trình phát triển, nên chi phí sản xuất ra loại pin này cực kì tốn kém. Trên thực tế chưa có thiết bị điện tử nào được sản xuất thương mại đại trà sử dụng loại pin này. Năm 2012, các nhà phân tích làm việc tại bộ phận Phân tích Phần mềm và Phát triển Vật liệu Tiên tiến của Đại học Florida ước tính rằng mỗi viên pin thể rắn với dung lượng tương đương với pin dùng trong một chiếc điện thoại di động tốn khoảng 15.000 đô la để sản xuất, để cung cấp năng lượng cho một chiếc xe điện lên tới 100.000 đô la.
Một phần nguyên nhân cũng là do chưa có lợi thế kinh tế về quy mô. Hiện tại có tới hàng trăm triệu viên pin được sản xuất mỗi năm nên chi phí sản xuất chúng cũng được chia đều. Chỉ có một số ít công ty và trường đại học nghiên cứu pin thể rắn do đó chi phí để tạo ra các nguyên vật liệu mới và cải tiến các dây chuyền sản xuất là vô cùng lớn
Một vấn đề khác nằm ở vật liệu. Kim loại, hợp kim dùng cho pin thông thường do chúng ta làm chủ về kĩ thuật và công nghệ, nhưng để biết chất liệu nào cho chất điện giải giữa các điện cực thì các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra. Các nghiên cứu vẫn đang cố gắng giới hạn các lựa chọn nhưng cần phải có đủ dữ liệu mới có thể tiến hành tổng hợp, đầu tư sản xuất.
Tổng kết
Rõ ràng vẫn còn nhiều điều cần nghiên cứu với công nghệ pin thể rắn. Theo nghiên cứu mới nhất về một số loại vật liệu đã cho thấy kết quả có thể cạnh tranh tương đương với những viên pin Lithium Ion ở một số thuộc tính, trong khi vẫn có các lợi thế khác so với chất điện phân thể rắn.
Tất cả những gì chúng ta cần quá trình sản xuất hiệu quả hơn, và hiện đã có một số nhà sản xuất pin lớn với nguồn lực đủ để biến điều đó thành sự thực. Có lẽ chúng ta sẽ vẫn chưa thấy loại pin này phổ biến trên các sản phẩm tiêu dùng như smartphone trong vòng 4-5 năm nữa.
Mỹ Duyên
