Bí mật bên trong pin xe điện thế hệ mới vừa được các kỹ sư hé lộ

Sự trỗi dậy của Silicon

Trọng tâm của sự thay đổi này nằm tại cực dương (anode) của công nghệ pin, nơi vật liệu silicon hứa hẹn sẽ mở ra những bước nhảy vọt tiếp theo về hiệu suất xe điện.

Vật liệu than chì (graphite) truyền thống, vốn là xương sống của cực dương pin Li-ion trong nhiều thập kỷ, đang dần chạm đến giới hạn vật lý.

Cơ chế lưu trữ của nó, được gọi là xen kẽ (intercalation), chỉ cho phép giữ một ion lithium cho mỗi sáu nguyên tử carbon (LiC₆), đạt dung lượng lý thuyết tối đa khoảng 372 mAh/g. Giới hạn này đang trở thành rào cản cho việc tăng mật độ năng lượng của pin.

Trong bối cảnh đó, Silicon nổi lên như một ứng cử viên thay thế sáng giá với một ưu điểm vượt trội. Một nguyên tử silicon có thể liên kết với nhiều ion lithium, mang lại dung lượng lý thuyết lên tới 4.200 mAh/g. Sự đột phá này hứa hẹn sẽ làm tăng đáng kể mật độ năng lượng, giúp xe đi xa hơn với cùng kích thước bộ pin, hoặc làm cho bộ pin nhỏ gọn và nhẹ hơn đáng kể.

Tuy nhiên, "gót chân Achilles" của silicon là vấn đề giãn nở thể tích. Khi hấp thụ các ion lithium trong quá trình sạc, silicon có thể phồng lên tới 300% so với kích thước ban đầu. Sự thay đổi cực lớn này gây ra áp lực cơ học khủng khiếp, làm nứt vỡ cấu trúc của cực dương.

Về mặt kỹ thuật, sự giãn nở này phá vỡ lớp Giao diện điện giải rắn (SEI) bảo vệ. Quá trình lặp đi lặp lại này tiêu thụ các ion lithium và chất điện giải một cách không thể đảo ngược, dẫn đến suy giảm dung lượng và giảm tuổi thọ pin một cách chóng mặt.

Cầu nối chiến lược đến tương lai

Để giải quyết bài toán hóc búa này, một thế hệ các công ty công nghệ cao như Sila Nanotechnologies, Amprius Technologies và Group14 đang đi tiên phong với các giải pháp sáng tạo.

Thay vì dùng silicon khối, các kỹ sư tạo ra các cấu trúc như dây nano hoặc ống nano silicon. Các cấu trúc này có đủ không gian trống để phồng lên mà không làm hỏng toàn bộ điện cực.

Một hướng đi khác là sử dụng silicon oxide, vốn có độ giãn nở thấp hơn silicon nguyên chất nhưng vẫn cung cấp dung lượng cao hơn nhiều so với than chì.

Những nỗ lực này đang mang lại kết quả ấn tượng. Công ty Amprius đã chứng minh pin sử dụng anode silicon của họ có thể sạc tới 80% dung lượng chỉ trong vòng chưa đầy 6 phút. Trong khi đó, Sila Nanotechnologies đã hợp tác với Mercedes-Benz để tích hợp công nghệ của mình vào mẫu xe G-Class chạy điện, hứa hẹn tăng mật độ năng lượng lên 20-40%.

Công nghệ anode silicon được xem là một cầu nối thực tế và chiến lược, giúp ngành công nghiệp cải thiện hiệu suất pin trong trung hạn (3-5 năm tới), trong khi các công nghệ đột phá như pin thể rắn vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển.

Cuộc đua này đang tạo ra một hệ sinh thái mới gồm các công ty khởi nghiệp chuyên sâu, thu hút hàng tỷ USD vốn đầu tư và sự hợp tác từ các gã khổng lồ ô tô như GM, Porsche và Mercedes-Benz, hứa hẹn sẽ có nhiều thương vụ mua lại và sáp nhập (M&A) trong tương lai gần.