Các nhà sản xuất ô tô toàn cầu chạy đua phát triển công nghệ pin EV thể rắn

Pin EV thể rắn là gì?

Không giống như pin lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe điện ngày nay vốn sử dụng chất điện phân lỏng giữa các điện cực, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn. Điều này mang lại mật độ năng lượng cao hơn, nghĩa là xe điện nhẹ hơn và hiệu quả hơn với phạm vi lái xe dài hơn.

Đó không phải là lợi thế duy nhất của pin thể rắn. Chúng an toàn hơn và sạc nhanh hơn pin lithium-ion hiện tại, đồng thời ổn định khi gặp điện áp cao, nhiệt độ cao và thay đổi nhiệt độ. Không có gì ngạc nhiên khi pin thể rắn được coi là công nghệ của tương lai và có thể sẽ là bước tiến lớn tiếp theo trong quá trình phát triển pin.

Tuy nhiên, có một vấn đề lớn với pin thể rắn ngày nay đó là sợi nhánh. Đây là những phần nhô ra hình thành trên bề mặt cực dương trong quá trình sạc khi các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương.

Các ion bám vào bề mặt cực dương, tạo ra bề mặt lồi lõm. Trong quá trình phóng điện, lớp phủ đó dần dần bị bong ra khỏi cực dương và tạo ra những vết lõm nhỏ. Điều này dẫn đến lớp mạ thậm chí còn không đồng đều hơn trong lần sạc tiếp theo. Cấu trúc đuôi gai dendrite nổi lên như rễ cây trong chất điện phân và xuyên qua hàng rào giữa cực dương và cực âm, gây ra các vết nứt và đoản mạch có thể dẫn đến cháy.

Nghiên cứu mới nhất về pin thể rắn

Vào tháng 1 năm 2024, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard (SEAS) đã giới thiệu một loại pin thể rắn có cực dương kim loại lithium với khả năng chu kỳ sạc/xả ấn tượng đạt được 6.000 chu kỳ, nhiều hơn bất kỳ loại pin dạng túi nào khác trên thị trường.

Nghiên cứu và kết quả đã được công bố trên tạp chí Nature Materials. Các nhà nghiên cứu phải đối mặt với vấn đề quen thuộc là các sợi nhánh hình thành trên bề mặt cực dương. Ban đầu, vào năm 2021, họ đề xuất thiết kế pin nhiều lớp, áp dụng các vật liệu có độ ổn định khác nhau. Thay vì ngăn chặn sự hình thành dendrite, phương pháp này tập trung vào việc kiểm soát và bao gồm sự hình thành dendrite.

Trong nghiên cứu gần đây hơn, nhóm nghiên cứu đã ngăn chặn thành công sự hình thành dendrite bằng cách kết hợp các hạt silicon có kích thước micron vào cực dương, cản trở phản ứng với lithium một cách hiệu quả.

Chiến lược này tạo điều kiện thuận lợi cho việc mạ đồng đều và đồng nhất một lớp kim loại lithium dày xung quanh lõi silicon, tạo ra bề mặt nhẵn đảm bảo phân bố mật độ dòng điện đồng đều và ngăn chặn sự phát triển của dendrite. Các nhà nghiên cứu cho biết, với thiết kế cải tiến này, pin có thể được sạc lại chỉ trong 10 phút.

Xu hướng thị trường hiện tại và triển vọng thương mại hóa trong tương lai

Trong khi nhiều công ty đang tích cực tham gia vào việc phát triển pin thể rắn thì các doanh nghiệp Nhật Bản đã nổi lên dẫn đầu trong lĩnh vực này.

Vào tháng 10 năm 2023, Toyota và Idemitsu Kosan công bố hợp tác phát triển pin thể rắn cho xe điện. Các công ty đặt mục tiêu thiết lập một chuỗi cung ứng mạnh mẽ và sản xuất hàng loạt pin EV thể rắn thương mại sớm nhất vào năm 2027.

Toyota và Idemitsu Kosan sẽ tập trung vào chất điện phân rắn sunfua mà họ tin rằng sẽ hứa hẹn cho xe điện do tính mềm mại, linh hoạt và tuân thủ các quy định của công ty. Các vật liệu khác góp phần vào quá trình sản xuất hiệu quả. Khả năng chống nứt của nó hứa hẹn sẽ giải quyết được thách thức lớn liên quan đến pin thể rắn.

Honda cũng đang tìm cách chuyển đổi từ chất điện phân lỏng sang chất điện phân rắn, và gần đây công ty đã gợi ý rằng pin thể rắn có thể là một cách giúp xe điện có giá cả phải chăng hơn. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất pin thể rắn quy mô lớn, Honda đang nghiên cứu xác định kỹ thuật chế tạo và lựa chọn vật liệu tối ưu.

Công ty đang sử dụng kỹ thuật xử lý dập chuyên dụng để nâng cao mật độ chất điện phân rắn. Cùng với việc lựa chọn vật liệu cẩn thận, những nỗ lực này nhằm mục đích cải thiện bề mặt tiếp xúc giữa các điện cực và chất điện phân, từ đó mang lại dòng ion mượt mà hơn.

Vẫn còn nhiều ẩn số trong công nghệ sản xuất pin thể rắn, nhưng Honda tin rằng kỹ thuật xử lý ép cuộn của họ sẽ mang lại năng suất sản xuất cao với hiệu suất pin cao. Thách thức là thiết lập áp suất dập tối ưu để tránh hư hỏng cấu trúc vi mô vật liệu và xác định mật độ chất điện phân ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của pin.

Không chỉ các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản đang theo đuổi pin EV thể rắn. Công ty QuantumScape của Mỹ đang hợp tác với Volkswagen trên kiến trúc kim loại lithium kết hợp chất điện phân gốm thể rắn với khả năng kháng dendrite cao. Dải phân cách của chúng được thiết kế để chống lại các sợi nhánh ngay cả ở mật độ dòng điện cực cao, tạo điều kiện cho việc sạc nhanh. Mục tiêu của họ là sạc đầy trong vòng chưa đầy năm phút.

Các thử nghiệm gần đây được thực hiện trên các loại pin thể rắn này tại phòng thí nghiệm pin của PowerCo ở Salzgitter đã cho thấy kết quả ấn tượng: hơn 1.000 chu kỳ sạc trên pin EV với phạm vi hoạt động từ 500 đến 600 km. Những loại pin này duy trì được 95% công suất ban đầu, mang lại hiệu suất mạnh mẽ trên hơn nửa triệu km. Mục tiêu cuối cùng là đạt được mật độ năng lượng cao, giảm chi phí nguyên vật liệu và đơn giản hóa quy trình sản xuất.