Bước tiến mới giúp xe điện sạc đầy chỉ trong vài phút và trở nên an toàn hơn

Hướng đi mới cho hiệu suất và an toàn của xe điện

Trong cuộc đua toàn cầu về điện khí hóa phương tiện, pin thể rắn đang nổi lên như một yếu tố có khả năng định hình lại tương lai của xe điện. Với tiềm năng thay thế pin lithium-ion truyền thống, công nghệ này mang đến một loạt ưu điểm nổi bật về tốc độ sạc, độ an toàn, tuổi thọ và khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ cao.

Khác với pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng dễ cháy, pin thể rắn (Solid-State Battery - SSB) sử dụng vật liệu rắn như gốm, polyme hoặc hợp chất sulfide để di chuyển ion lithium. Việc loại bỏ chất lỏng giúp tăng đáng kể độ an toàn, đồng thời cho phép sử dụng lithium kim loại nguyên chất làm cực dương, giúp tăng mật độ năng lượng và giảm khối lượng pin.

Theo Giáo sư Cengiz S. Ozkan từ Đại học California Riverside, một trong những đồng tác giả chính của nghiên cứu về công nghệ pin thể rắn, loại pin này có thể sạc đến 80% chỉ trong 3–12 phút, tùy vào thiết kế. Trong khi đó, pin lithium-ion hiện nay thường mất từ 30 đến 60 phút để đạt mức tương đương.

Một trong những điểm đáng chú ý nhất là tuổi thọ vượt trội của pin thể rắn. Các thử nghiệm cho thấy loại pin này có thể duy trì tới 90% dung lượng sau hơn 5.000 chu kỳ sạc, tương đương 15–20 năm sử dụng, gần gấp đôi tuổi thọ thông thường của một xe điện hiện đại.

Ưu điểm vượt trội và những rào cản cần vượt qua trước khi thương mại hóa

Tốc độ sạc nhanh, độ bền cao và an toàn hơn không phải là những ưu điểm duy nhất của pin thể rắn. Chúng còn có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ và bức xạ cao, điều này mở ra khả năng ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, thậm chí cho các tàu vũ trụ hoặc căn cứ ngoài hành tinh. Đặc biệt, pin thể rắn không cần đến hệ thống làm mát cồng kềnh như pin lithium-ion, giúp tiết kiệm trọng lượng và diện tích.

Mặc dù tiềm năng là rất lớn, việc thương mại hóa công nghệ này vẫn còn nhiều thách thức. Pin thể rắn hiện vẫn đắt đỏ và phức tạp trong quá trình sản xuất. Các vật liệu cấu thành cần độ tinh khiết cao, quy trình thiêu kết khắt khe, đồng thời phải được bảo vệ nghiêm ngặt khỏi hơi ẩm và oxy. Những điểm tiếp xúc giữa các lớp vật liệu rắn cũng là nơi thường gây ra hao tổn điện năng và giảm hiệu suất.

Một thách thức khác là hiện tượng hình thành dendrite (tinh thể hình kim) có thể đâm xuyên lớp điện phân và gây đoản mạch. Dù nguy cơ này thấp hơn so với pin truyền thống, nó vẫn là vấn đề kỹ thuật cần giải quyết trước khi pin thể rắn có thể được ứng dụng rộng rãi.

Về mặt môi trường, một số chất điện phân gốc sulfide có thể tạo ra khí độc nếu bị đốt nóng. Tuy nhiên, nhờ cấu trúc rắn ổn định, pin thể rắn được đánh giá là có khả năng tái chế tốt hơn so với pin lỏng, miễn là các quy trình xử lý phù hợp được thiết lập.

Hiện tại, nhiều tập đoàn lớn như Toyota, Samsung, QuantumScape, Solid Power và Qing Tao Energy đang đầu tư hàng trăm triệu USD vào việc phát triển pin thể rắn. Trong đó, Qing Tao Energy (Trung Quốc) tuyên bố đã đạt công suất sản xuất 100 MWh mỗi năm và tiếp tục mở rộng quy mô.

Để rút ngắn khoảng cách từ phòng thí nghiệm đến sản phẩm thương mại, các nhà khoa học đang tập trung vào cải tiến công nghệ sản xuất, mô phỏng hành vi vật liệu và cải thiện hiệu suất tại giao diện giữa các lớp pin. Giáo sư Ozkan cho biết: “Chúng tôi cần sự kết hợp giữa đổi mới khoa học cơ bản và kỹ thuật chế tạo để hiện thực hóa tiềm năng của pin thể rắn. Đây sẽ là chìa khóa cho tương lai năng lượng bền vững và điện khí hóa toàn diện”.

Nhược Vy