Nếu đã từng có dịp nghe ở đâu đó khái niệm “pin thể rắn”, hẳn anh em cũng đã được nghe tiềm năng cứ như trong phim khoa học viễn tưởng của công nghệ ấy: So với pin lithium-ion hiện tại, thể tích pin với mật độ năng lượng tương đương chỉ bằng 1/10, hoặc nếu cùng thể tích thì khả năng trữ năng lượng của pin thể rắn lithium-metal sẽ cao gấp 10 lần.
Và trong một căn phòng thí nghiệm của Solid Power tại Louisville, Colorado, Mỹ, các nhà khoa học đang cố gắng nghiên cứu để biến ý tưởng trở thành sản phẩm thực nghiệm. Ngày 7/8/2021, cục pin thể rắn kích thước lớn nhất từng được con người tạo ra bắt đầu được thử nghiệm khả năng sạc và xả năng lượng. Khi ấy, giám đốc công nghệ của Solid Power, Josh Buettner-Garrett vừa tỏ ra lạc quan, lại vừa dè dặt: “Chúng tôi biết có thể tạo ra một món đồ vận hành như một cục pin, nhưng cũng có khả năng nó bị biến thành… cục gạch.”
Bản thân thứ công nghệ mà pin lithium-metal đang cố gắng thay thế cũng chính là một “công nghệ lõi” đúng nghĩa đen, thứ đã giúp cả thế giới có được những tiến bộ trong 4 thập kỷ qua, và cũng giúp Akira Yoshino, nhà phát minh Nhật Bản giành được giải Nobel. Nhờ việc tạo ra những cell pin lithium-iodine vào thập niên 70, người Nhật phát hiện ra chúng có thể cấp nguồn cho thiết bị lâu hơn nhiều so với những công nghệ pin cũ, dùng chất điện phân gốc kiềm. Ngay lập tức, phát kiến ấy được ứng dụng vào ngành sản xuất máy tạo nhịp tim, với những cục pin có thể bảo vệ người dùng 10 năm, thay vì 2 năm như trước.
Rồi đến thập niên 90, khi công nghệ pin lithium được phát triển thành lithium-ion như ngày hôm nay, tốc độ phát triển thiết bị công nghệ tiêu dùng bỗng bùng nổ. Từ máy nghe nhạc, máy tính xách tay, cho đến điện thoại thông minh và ngày hôm nay là ô tô điện, gọi lithium-ion là công nghệ lõi hoàn toàn không sai chút nào.
Lithium là mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học trong hàng thập kỷ qua cũng vì một lẽ đơn giản, đó là giống như những kim loại kiềm cùng nhóm trong bảng tuần hoàn, lithium có khả năng dẫn điện tuyệt vời. Electron duy nhất ở lớp ngoài cùng nguyên tử có thể tách ra một cách vô cùng dễ dàng, theo lời tiến sĩ Jeff Sakamoto, giáo sư chuyên ngành kỹ thuật cơ khí tại đại học Michigan, một trong những nhà khoa học đầu ngành nghiên cứu pin. Nhờ đó, pin lithium có thể tạo ra hiệu điện thế rất cao. Cùng với đó, so với những kim loại kiềm khác như kali hay natri, lithium có kích thước ion nhỏ nhất, và có khối lượng nguyên tử chỉ lớn thứ 3 trong cả bảng tuần hoàn. Điều này nghĩa là cùng một thể tích pin, lithium sẽ tạo ra nhiều ion hơn, hiểu đơn giản là trữ được nhiều điện năng hơn.
So với nickel-cadmium, công nghệ phổ biến nhất trước đó, pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao gấp 4 lần. Pin lithium-ion phổ biến nhất hiện giờ đều dùng dung dịch điện phân dạng lỏng, trong đó ion chạy qua chạy lại hai điện cực, sạc và xả electron. Hai điện cực được làm bằng than chì, thứ vật liệu sẵn có, dẫn điện tốt và dễ chế tác.
Nhưng như đã nói, nếu so sánh với lithium-ion, mật độ điện tích trong pin lithium-metal có khi cao gấp 10 lần, trong cùng một thể tích pin.
Jun Liu, tiến sĩ, giám đốc phóng thí nghiệm Pacific Northwest National Laboratory tại Richland, Washington cho rằng: “Lithium metal là chất liệu có mật độ điện tích cao nhất chúng ta từng biết đến.” Không chỉ dừng ở đó, pin thể rắn còn có những tính chất trong mơ: Nhẹ, sạc nhanh và chống được rỉ sét. Nhưng để tạo ra được những đột phá kể trên, các nhà khoa học phải vượt qua trở ngại cơ bản của lithium, đó là độ nhạy phản ứng hóa học rất cao, trong trường hợp này là tạo ra rỉ sét mỗi khi bề mặt kim loại kiềm tiếp xúc với những vật liệu khác.
Vì phản ứng quá nhạy, lithium trong pin sẽ dễ trở thành dendrites, tạm hiểu là những tinh thể lithium bám và mọc từ điện cực dương của pin. Những tinh thể này rất nguy hiểm, vì có thể chọc thủng linh kiện pin hoặc gây đoản mạch. Trong trường hợp pin lithium-ion với chất điện phân lỏng dễ cháy, lithium dendrites chính là nguyên nhân kết hợp với chất điện phân lỏng dễ cháy gây ra cháy nổ pin xe hoặc điện thoại, thứ thỉnh thoảng anh em đọc được tin trên mạng internet.
Để ngăn chặn sự hình thành của lithium dendrites, các nhà khoa học tìm ra một giải pháp, đó là tạo ra chất điện phân rắn, thường được làm từ chất liệu ceramic giống như chip bán dẫn. Ngay cả trong trường hợp tinh thể lithium có hình thành và chọc thủng lớp chất điện phân, thì cũng không gây ra cháy nổ.
Nhưng, tạo ra chất điện phân rắn lại là một thử thách lớn khác. Hợp chất ấy phải dễ lót giữa các lớp điện cực hệt như cách chất điện phân lỏng làm được. Lithium là một nguyên tố tương đối dẻo, có thể chèn vào những khe hở của vật liệu, nhưng vẫn cần tìm cách để lithium kết nối với điện cực âm, nếu không thì cục pin cũng chẳng khác gì cục gạch. Một vấn đề khác là tính chất giòn của ceramic, dễ tạo ra những vết nứt hoàn hảo để lithium dendrites hình thành và lọt vào. Đó là thử thách mà đơn vị ở đầu bài viết, Solid Power đang tìm cách vượt qua.
Thử thách kế tiếp của pin thể rắn là khả năng sạc điện, theo tiến sĩ Neil Dasgupta của đại học Michigan, người đang cùng giáo sư Sakamoto nghiên cứu công nghệ này. Pin lithium-ion đạt tiêu chuẩn của ngành nhờ vào khả năng sạc hơn 1000 lần trước khi pin xuống cấp. Tiến sĩ Dasgupta nói: “Trong 4 năm, nếu mỗi tuần bạn sạc điện thoại từ 4 đến 5 lần, tổng số lần sạc pin cũng đã vượt qua mốc 1000 lần.” Hiện tại, Solid Power vẫn đang tìm cách để pin thể rắn đạt được ít nhất 1000 lần sạc xả năng lượng.
Bản thân những nghiên cứu đang được tiến hành ở thời điểm hiện tại cũng đều chỉ xoay quanh con số 1000 ấy, nói cách khác là đảm bảo và tăng chu kỳ sạc xả mà pin thể rắn có thể chịu được. Hồi tháng 5/2021, một nhóm các nhà khoa học tại Harvard đã khiến cộng đồng nghiên cứu xôn xao khi công bố báo cáo nghiên cứu nói rằng pin thể rắn họ phát triển có thể vận hành tốt sau 10 nghìn lần sạc xả. Xin Li, một trong những nhà khoa học tiến hành nghiên cứu nói trên cho rằng, ở chu kỳ 10 nghìn lần, một cục pin thể rắn sẽ có thể vận hành liên tục trong 25, thậm chí 50 năm.
Tuy nhiên đó mới chỉ là khoa học lý thuyết, vì cục pin mà Harvard tạo ra chỉ mỏng đúng bằng tờ giấy, kích thước đúng bằng cái pin cúc áo trong đồng hồ. Để có thể thương mại hóa, cả kích thước lẫn thể tích của pin đều phải tăng theo cấp số nhân. Nhưng bên cạnh chu kỳ sạc xả đáng quan tâm kể trên, nghiên cứu của đại học Harvard còn chỉ ra rằng, công nghệ pin thể rắn của họ có thể sạc đầy chỉ trong vòng 3 phút đồng hồ. Nếu công nghệ này được ứng dụng vào ô tô điện, thì vấn đề cố hữu hiện nay của xe điện sẽ được giải quyết, khi anh em có thể sạc pin xe nhanh như rẽ vào đổ xăng, thậm chí còn nhanh hơn. Hiện tại hầu hết xe điện đều mất ít nhất 3 tiếng mới sạc đầy pin.
Tại Thế vận hội Tokyo vừa được tổ chức hồi mùa hè vừa rồi, những mẫu pin thể rắn đầu tiên đã được người Nhật ứng dụng trong những chiếc xe LQ concept do Panasonic và Toyota hợp tác phát triển.
Nhưng từ lúc này cho tới khi pin thể rắn được ứng dụng thương mại, anh em sẽ phải đợi ít nhất 5 năm. Phía Solid Power cho rằng đó là khoảng thời gian tối thiểu cho tới khi BMW hay Ford, các đối tác của họ, có thể ứng dụng công nghệ pin mới này cho những chiếc ô tô điện. Kỳ vọng của Solid Power là tạo ra những cục pin có mật độ năng lượng gấp đôi lithium-ion trên cùng thể tích, và chỉ mất 10 phút để sạc từ 0 đến 90%.
Theo CEO Doug Campbell của Solid Power, những gã khổng lồ châu Á hiện tại cũng đang trong quá trình nghiên cứu phát triển công nghệ nền. Lấy ví dụ Toyota, phải đến năm 2025 họ mới phát triển xong pin thể rắn, còn đến khi nào chúng được trang bị trong xe điện của họ sản xuất thì vẫn chưa biết.
Rõ ràng công nghệ lithium-metal có đủ khả năng và tiềm năng để tạo ra đột phá hệt như cái thời lithium-ion được phát triển. Câu hỏi duy nhất bây giờ chỉ là, đến khi nào mới có sản phẩm thương mại hóa.
Source: TinhTe