Trong 3-4 năm nữa, pin thể rắn có thể thay đổi thế giới: sạc nhanh hơn, lượng điện dồi dào, tăng tuổi thọ thiết bị điện tử lên tới 10 năm

Có một thứ công nghệ với tiềm năng tạo ra một cuộc cách mạng năng lượng mãnh liệt đang được ấp ủ. Mặc dù đã được biết đến nhiều năm, giờ đây khoa học mới cho phép chúng ta tiến gần hơn tới hiện thực. Hàng tỉ đô la đã và đang được đầu tư vào các nghiên cứu, với hy vọng một ngày không xa sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta quan niệm về các thiết bị phổ thông như laptop, smartphone hay các thiết bị đặc biệt sử dụng trong y học, khám phá vũ trụ hay các phương tiện giao thông thân thiện môi trường.

Đây chính là công nghệ pin thể rắn (solid-state batteries). Trong một vài năm gần đây, lượng vốn đầu tư vào công nghệ này cũng như số lượng các nghiên cứu và phát hiện đã gia tăng đáng kể. Với nhiều công ty lớn và các nhà khoa học đầu ngành tham gia vào quá trình này, có thể chúng ta sẽ sớm chứng kiến những ứng dụng đầu tiên sử dụng pin thể rắn vào một vài năm tới.

Chúng ta có thể mong đợi gì từ công nghệ mang tính cách mạng này?

Pin là một thiết bị lưu trữ dạng năng lượng hóa học và chuyển hóa chúng thành năng lượng điện. Chúng có 4 thành phần chính: cực dương (cathode), cực âm (anode), chất điện phân (electrolyte) và lớp phân tách (separator). Dòng điện được tạo ra khi các hạt electron di chuyển từ cực âm này qua cực dương, chức năng của hai điện cực là tạo ra dòng điện, và dung môi điện phân cho phép các ion dương di chuyển giữa các điện cực; quá trình này giúp cân bằng dòng electron. Cuối cùng, lớp phân tách giữ khoảng cách giữa hai điện cực và ngăn không cho pin bị đoản mạch.

Một điểm khác biệt quan trọng giữa công nghệ pin hiện tại và pin thể rắn đó là dung môi điện phân. Các pin Lithium-ion hiện đang dùng dung môi lỏng. Không may thay, một số chất có mặt trong dung môi lỏng này có khả năng hình thành các cấu trúc sợi tinh thể len lỏi trong pin, gọi là dendrites. Dendrites tạo ra các tia tinh thể rất sắc và dài đủ để đâm thủng lớp phân tách và gây đoản mạch, dẫn đến cháy nổ nghiêm trọng. Pin thể rắn sẽ sử dụng chất điện phân thể rắn, ngăn chặn sự hình thành dendrites.

Thêm vào đó, khi thay thế bằng chất điện phân rắn, mật độ năng lượng của pin tăng lên trông thấy, trong khi rủi ro cháy nổ giảm tối đa. Pin cũng trở nên nhỏ hơn, có khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện nhiệt độ.

Điều này đem lại ích lợi gì cho các phương tiện vận tải chạy điện? Khuyết điểm lớn nhất cả các phương tiện này đó là quãng đường đi được trên mỗi lần sạc. Một xe điện phổ thông thường chạy được 402-483 km mỗi lần sạc đầy. Thời gian sạc từ 1 đến 17 tiếng tùy vào việc bạn sạc ở nhà hay ở trạm. Dẫu vậy mà xe điện ngày càng trở nên phổ biến, thậm chí có tiềm năng dẫn đầu ngành phương tiện vận tải. Để đạt tới mốc này, xe điện cần chạy được tối thiểu 724km mỗi lần sạc mà vẫn thân thiện về giá đối với người tiêu dùng.

Thời đại của Solid-State Batteries

Với sự có mặt của pin thể rắn, quãng đường/lần sạc của xe điện có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba. Các hãng có thể chọn giảm kích thước pin và giữ nguyên thời lượng sử dụng hay giữ nguyên kích cỡ pin và tăng thời lượng gấp 2-3 lần. Thời gian sạc có thể giảm xuống còn 15 phút. Nếu quan sát các thành tựu của Samsung trong công nghệ pin thể rắn chúng ta có thể thấy pin rắn có khả năng sạc và xả hơn 1.000 lần với quãng đường đi được lên tới 805km mỗi lần sạc. Tuổi thọ pin lên tới 500.000 dặm (805.000km), với khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.

Công nghệ này có thể đặt dấu chấm hết cho các phương tiện sử dụng năng lượng hóa thạch. Laptop hay smartphone có thể có thời lượng pin lên tới nhiều ngày với thời gian sạc chỉ trong tích tắc, gia tăng tuổi thọ từ 2-10 năm. Các thiết bị y tế có thể trở nên gọn gàng và di động hơn. Với khả năng chịu nhiệt tốt, pin thể rắn còn có nhiều tiềm năng ứng dụng trong vũ trụ.

Những ích lợi tiềm năng này đã thu hút nhiều công ty lớn. Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota, thậm chí Bill Gates đều đã đầu tư hàng tỉ đô la vào các nghiên cứu pin thể rắn. QuantumScape, công ty được chống lưng bởi Bill Gates, đã phát triển pin với các lớp gốm có khả năng chống lại dendrites hình thành cũng như hoạt động trong nhiệt độ cực thấp. Toyota cũng đang lên kế hoạch ra mắt các mẫu xe với pin rắn vào năm 2025.

Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà vật lý học John Goodenough, chủ nhân của 8 giải thưởng khoa học danh giá bao gồm một giải Nobel hóa học, đã đăng ký bản quyền một thiết kế sử dụng thủy tinh và sứ để tạo ra sản phẩm pin cực bền, không bắt lửa, sạc nhanh với khả năng lưu trữ năng lượng gấp 3 lần pin Lithium-ion hiện nay. Nhóm đã đạt được thành tựu này qua việc sử dụng Natri hay Lithium làm vật liệu bổ sung cho các điện cực. Thêm vào đó, sản phẩm pin có giá thành này rất khiêm tốn cũng như có độ bền ước tính lên tới 2.000 chu kỳ sạc-xả. Nhiệt độ hoạt động lý tưởng cho loại pin thủy tinh này là từ -20 độ C tới 60 độ C.

Goodenough cũng là người đã đem đến cho thế giới nhiều phát minh vĩ đại bao gồm công nghệ pin Lithium-ion có mặt mọi nơi ngày nay cũng như bộ nhớ RAM mà bất kỳ thiết bị máy tính nào cũng cần phải có để có thể hoạt động. Nhờ đóng góp của ông, chúng ta có thể sớm thấy công nghệ pin thể rắn trong 3-4 năm nữa, mặc dù có thể mất lâu hơn trước khi công nghệ này tới tay người tiêu dùng.

Công nghệ pin thể rắn đại diện cho nhiều bước tiến lớn hơn là chỉ sự tiện lợi đơn thuần. Đây là công nghệ then chốt có thể “cứu” lấy Trái Đất. Sẽ có nhiều xe điện hoàn thiện hơn đem lại thay đổi lớn với thị trường phương tiện vận tải: các phương tiện sử dụng xăng dầu sẽ là chuyện của quá khứ. Pin thể rắn cũng có thể được tạo ra với các vật liệu thân thiện môi trường như Natri, vốn sẵn có khắp các đại dương. Trên hết, pin thể rắn chính là biểu tượng cho khả năng hiện thức hóa những ước mơ sâu thẳm của con người về một tương lai tưởng như chỉ có trong những bộ phim viễn tưởng.

Theo Medium