Pin thể rắn có gì đặc biệt mà khiến các hãng ô tô điện chạy đua phát triển?
(Dân trí) - Nhiều công ty ô tô đang tìm đến công nghệ pin thể rắn như một cách đi tắt đón đầu trong cuộc đua xe điện.
Ô tô điện (EV) đã không còn là mới lạ trên thị trường. Trong năm 2020, ô tô điện chỉ chiếm 4,2% tổng doanh số xe du lịch bán ra trên toàn thế giới, theo số liệu thống kê của Statista. Nhưng chỉ 2 năm sau đó, thị phần đã tăng gấp ba (14% trong năm 2022). Các nhà sản xuất ô tô giờ đây đang lao vào lĩnh vực xe điện.
Mặc dù một số nhà sản xuất ô tô vẫn đầu tư vào xe chạy bằng pin nhiên liệu (HFCEV), nhưng thống kê doanh số cho thấy ô tô thuần điện (BEV) chiếm đa số xe điện trên thị trường hiện nay. Trong số khoảng 10,5 triệu ô tô điện bán ra trên thế giới trong năm 2022, xe thuần điện chiếm 73%, còn xe hybrid cắm sạc (PHEV) chiếm gần 27% còn lại.
Pin nhiên liệu có thể vẫn sẽ phát triển trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại trong tương lai, nhưng pin có thể sẽ vẫn là giải pháp lưu trữ năng lượng chính cho ngành ô tô điện ít nhất là từ nay cho tới cuối thập kỷ.
Do đó, các công ty ô tô đang nỗ lực tự nghiên cứu và phát triển hoặc bắt tay hợp tác với các nhà sản xuất khác nhằm cải thiện công nghệ pin ô tô điện. Dựa trên các công bố gần đây của các hãng, có vẻ như pin thể rắn sẽ là bước ngoặt lớn tiếp theo trong quá trình điện khí hóa ngành ô tô.
Vậy pin thể rắn là gì, và nó khác gì so với pin lithium-ion truyền thống đang được sử dụng rộng rãi trên ô tô điện hiện nay? Hãy cùng tìm hiểu.
Pin ô tô điện thể rắn là gì?
Pin thể rắn là một thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng vật liệu điện phân thể rắn, thay vì chất điện phân dạng lỏng truyền thống. Chất điện phân đóng vai trò trung gian truyền dẫn lithium-ion để chúng có thể di chuyển giữa cực âm và cực dương.
Tùy thuộc vào hướng dịch chuyển của các ion, năng lượng được giải phóng (ví dụ trong quá trình sử dụng pin), hoặc lưu trữ (ví dụ trong quá trình sạc pin). Ngoài vai trò là trung gian truyền dẫn, chất điện phân thể rắn còn đóng vai trò như vật ngăn cách giữa hai điện cực.
Hầu hết pin lithium-ion truyền thống trên ô tô điện ngày nay sử dụng giải pháp chất điện phân dạng lỏng lithium muối.
Pin thể rắn có những ưu điểm gì?
Pin thể rắn có nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion dùng dung dịch điện phân.
Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn
Pin lithium-ion truyền thống dùng cho ô tô điện ngày nay có thể lưu trữ 100-265Wh năng lượng trên mỗi kg trọng lượng. Theo Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), pin thể rắn có khả năng lưu trữ tới 500Wh/kg.
Dựa trên các con số này, chúng ta có thể thấy rằng pin thể rắn lưu trữ được năng lượng nhiều gấp 2-5 lần so với pin lithium-ion truyền thống cùng trọng lượng. Pin thể rắn nhẹ hơn và "đậm đặc" hơn sẽ mang lại nhiều cải tiến về vận hành cho các lĩnh vực và ứng dụng khác nhau.
Với người mua ô tô, có lẽ lợi ích quan trọng nhất là phạm vi hoạt động tăng lên.
Mối lo về phạm vi hoạt động của xe là một trong những rào cản chính khiến ô tô điện chưa phổ biến rộng rãi. Chẳng ai muốn rơi vào cảnh xe hết pin giữa đường, không nhìn thấy trạm sạc nào ở xung quanh. Hiện tại, ô tô điện tại Mỹ có phạm vi hoạt động trung bình là 468km.
Nếu tất cả các yếu tố khác không đổi, về lý thuyết, pin thể rắn có thể giúp tăng phạm vi hoạt động trung bình của ô tô điện lên 965km. Thông số này cao hơn gần 160km so với phạm vi hoạt động của mẫu Toyota Camry 2023 động cơ 2.5L chạy xăng.
Nếu bạn thấy con số 965km vẫn chưa đủ ấn tượng, thì Toyota tuyên bố có thể tung ra loại pin thể rắn giúp xe đi được 1.448km vào sau năm 2028.
Nhiều chuyên gia dự đoán rằng trong tương lai, pin thể rắn có thể sẽ thay thế pin lithium-ion (Ảnh minh họa: Top Speed).
Trong tương lai, người mua xe điện có thể trông chờ 3 tiện ích quan trọng mà pin thể rắn mang lại: không gian, tính năng vận hành và tính thực tế.
Về không gian, pin thể rắn chiếm ít diện tích hơn, nên lòng xe và khoang hành lý của ô tô điện sẽ rộng hơn.
Về tính năng vận hành, do thiết kế nhỏ gọn, pin thể rắn cho phép thiết kế trọng tâm thấp hơn và tính khí động học cao hơn.
Về tính thực tế, với cùng lượng điện, pin thể rắn nhẹ hơn, nên xe sẽ có sức tải và sức kéo tốt hơn.
Pin thể rắn an toàn hơn
Theo một bài báo đăng năm 2022 trên tạp chí khoa học Science Direct Journal, pin thể rắn được cho là an toàn hơn pin lithium-ion truyền thống.
Do vật liệu điện phân thể rắn ở giữa các điện cực, pin thể rắn có nguy cơ rò rỉ chất độc và nguy cơ cháy thấp hơn. Cháy ô tô điện do hiện tượng tỏa nhiệt từ phản ứng hóa học của pin lithium-ion truyền thống rất khó dập.
Để dập một đám cháy xe điện, có thể phải dùng tới lượng nước nhiều gấp 20 lần so với cháy xe động cơ đốt trong (ICE). Cháy xe điện có thể tỏa nhiệt lượng cực lớn và bùng rất to; đặc biệt, khí hydro sinh ra từ phản ứng của lithium với nước sẽ làm lửa cháy to hơn.
Sạc pin thể rắn nhanh hơn
Thời gian sạc pin ảnh hưởng không nhỏ tới trải nghiệm của người dùng ô tô điện (Ảnh minh họa: CPI).
Ngoài việc trữ mật độ năng lượng cao hơn, pin thể rắn còn sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion truyền thống. Sở dĩ như vậy thứ nhất là do pin thể rắn có điện trở thấp hơn so với pin sử dụng chất điện phân dạng lỏng.
Thứ hai, pin thể rắn có độ ổn định nhiệt cao hơn, có thể tải được dòng điện cao hơn để sạc nhanh hơn.
Thứ ba, pin thể rắn xuống cấp chậm hơn. Các nhà sản xuất có thể thiết kế các hệ thống sạc xe điện nhanh hơn mà không rút ngắn tuổi thọ của pin.
Hiện tại, ô tô điện sử dụng pin lithium-ion truyền thống cần từ 30 đến 40 phút để sạc từ 10% lên 80% nếu sử dụng hệ thống sạc nhanh (DC) cấp độ nhanh nhất - cấp độ 3. Trong khi đó, Toyota khẳng định rằng pin thể rắn của hãng chỉ cần 10 phút để sạc từ 10% lên 80%.
Pin thể rắn có thể hoạt động tốt ở dải nhiệt độ rộng hơn
Hiện nay, nhiều chủ ô tô điện than phiền về việc xe vận hành kém trong điều kiện thời tiết lạnh giá. Cụ thể, phạm vi hoạt động bị rút ngắn, pin sạc chậm hơn và xe chạy yếu hơn. Các vấn đề này được cho là do pin lithium-ion có dải nhiệt độ hoạt động lý tưởng là 10-30 độ C. Nhiều xe điện "khổ sở" trong mùa đông lạnh giá ở Bắc Mỹ hay Na Uy.
Thêm vào đó, nhiều xe điện ngày nay cũng không hoạt động một cách tối ưu ở các vùng khí hậu nắng nóng khắc nghiệt.
Ngược lại, các nghiên cứu khoa học đã được công bố cho thấy pin thể rắn có thể hoạt động hiệu quả ở dải nhiệt độ từ -40 độ C đến 170 độ C.
Pin thể rắn có những nhược điểm gì?
Đến đây, bạn có thể sẽ thắc mắc: Nếu pin thể rắn tốt như vậy thì tại sao các công ty ô tô không sử dụng nó, mà chủ yếu dùng pin lithium-ion? Dưới đây là một số lý do:
Chi phí sản xuất cao
Pin thể rắn phải có kết cấu chắc chắn và liên kết tốt giữa các thành phần để tránh bị nứt hoặc bong tróc trong quá trình sử dụng. Việc này đòi hỏi kỹ thuật thiết kế và tích hợp cao.
Hiện tại, pin thể rắn có thể đắt gấp 3-4 lần so với pin lithium-ion truyền thống.
Khan hiếm vật liệu
Polymer trạng thái rắn và gốm siêu mỏng (các oxide, nitride, sulfide,...) dùng để làm chất điện phân rất nhạy cảm và khó sản xuất. Thêm vào đó, pin thể rắn vẫn phải sử dụng cobalt, và thực tế là tất cả các nhà sản xuất pin ô tô điện đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu cobalt vào năm 2028.
Việc sản xuất pin thể rắn yêu cầu ít vật liệu hơn so với pin lithium-ion truyền thống, nhưng lại là những vật liệu khó kiếm (Ảnh minh họa: Drive).
Sản xuất phức tạp
Công nghệ pin thể rắn vẫn còn khá mới, và vẫn chưa có một quy trình sản xuất được tiêu chuẩn hóa, cũng như nhóm vật liệu để có thể sản xuất quy mô lớn.
Một số công ty đang nỗ lực phát triển pin thể rắn với các lớp gốm để cải thiện mặt phân cách giữa chất điện phân và các điện cực. Tuy nhiên, chất điện phân bằng gốm dễ vỡ, do đặc tính tự nhiên, khiến cho việc sản xuất các lớp điện phân bằng gốm càng thêm thách thức.
Các phân tích trên cho thấy pin thể rắn rất có tiềm năng với ô tô điện trong tương lai. Tuy nhiên, có lẽ cần thêm nhiều năm nữa để có thể sản xuất pin thể rắn trên quy mô lớn, ít nhất là phải từ sau năm 2030. Từ nay tới lúc đó, pin lithium-ion sẽ vẫn đóng vai trò chủ đạo trong lĩnh vực ô tô điện.
