Tìm hiểu về pin dự phòng thể rắn: Cuộc "cách mạng" mới về an toàn, không lo cháy nổ, nhiều đột phá!

Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về pin dự phòng thể rắn để xem công nghệ mới này có gì đặc biệt mà lại vượt trội so với công nghệ Lithium-ion truyền thống.

Pin thể rắn (Solid-state battery - SSB) đã trở thành một từ khóa hot trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực xe điện. Giờ đây công nghệ này đã bắt đầu được áp dụng cho pin dự phòng hứa hẹn sẽ mang đến một cuộc "cách mạng" mới về an toàn. Vậy cấu trúc hóa học của pin thể rắn phức tạp ra sao và tại sao nó lại đặc biệt đến vậy?

Pin thể rắn là gì? Cấu trúc và thành phần hóa học

Để hiểu rõ pin thể rắn, chúng ta cần đi sâu vào sự thay đổi toàn diện về vật lý và hóa học của nó. Về cơ bản, đây là công nghệ thay thế hoàn toàn chất điện phân lỏng hoặc gel bằng vật liệu rắn để dẫn truyền ion.

Về cấu trúc vật lý

Pin thể rắn loại bỏ hoàn toàn màng ngăn bằng nhựa xốp vốn bắt buộc phải có trong pin Li-ion lỏng để ngăn đoản mạch. Thay vào đó, chính lớp chất điện phân rắn đóng vai trò vừa là môi trường dẫn ion, vừa là "bức tường" vật lý kiên cố ngăn cách cực âm và cực dương. 

Cấu trúc này cho phép các nhà sản xuất áp dụng kỹ thuật "xếp chồng lưỡng cực", tức là xếp các cell pin nối tiếp nhau gọn gàng mà không cần vỏ bọc riêng lẻ cho từng cell như pin lỏng, từ đó giúp tiết kiệm không gian và giảm trọng lượng đáng kể.

Về thành phần hóa học

Sự đột phá hóa học nằm ở việc lựa chọn vật liệu điện phân và cực dương:

• Chất điện phân: Các nhà khoa học đang sử dụng các vật liệu tiên tiến như Gốm (bao gồm oxit, sulfua, phốt phát) hoặc Polymer rắn. Ví dụ, vật liệu gốm oxit có độ ổn định nhiệt cực cao, trong khi vật liệu sulfua lại có khả năng dẫn ion nhanh tương đương chất lỏng. Một số nghiên cứu còn sử dụng LiPON (lithium phosphorus oxynitride) cho các loại pin màng mỏng.
• Cực dương (Anode): Trong khi pin thường dùng than chì (Graphite) xốp để chứa ion, pin thể rắn cho phép sử dụng kim loại Lithium thuần khiết. Về mặt hóa học, kim loại Lithium có mật độ năng lượng cao gấp 10 lần than chì, giúp viên pin nhỏ hơn nhưng dung lượng lớn hơn nhiều.
• Cực âm (Cathode): Pin thể rắn tương thích với các vật liệu cực âm điện áp cao (như Lithium niken mangan oxit) có thể vượt quá 5V, điều mà dung môi lỏng trong pin thường không thể chịu đựng được do bị phân hủy hóa học.

Tại sao pin thể rắn không lo cháy nổ?

Điểm yếu của pin Li-ion truyền thống nằm ở nguy cơ cháy nổ do chứa dung môi có thể gây đoản mạch. Công nghệ pin thể rắn ra đời để giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý bên trong, loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ dễ cháy nổ để thay thế bằng mạng lưới tinh thể rắn bền vững.

Sự khác biệt về an toàn đến từ trạng thái của chất điện phân. Trong khi pin Li-ion chứa chất lỏng lưu động tự do, chiếm tới khoảng 60-90% cấu trúc pin và rất dễ bắt lửa thì pin thể rắn (hoặc bán rắn) lại có cấu trúc chủ yếu là rắn. Đối với công nghệ bán rắn (Semi-Solid-State), tỉ lệ chất lỏng chỉ còn lại rất nhỏ, khoảng 2.5% với độ lưu động cực thấp, gần như không đáng kể.

Điều này tạo ra sự khác biệt lớn khi xảy tác động vật lý. Ở pin Li-ion, khi bị đâm xuyên hoặc nghiền ép, chất lỏng bên trong sẽ di chuyển nhanh chóng, năng lượng tập trung tại điểm bị tác động gây mất kiểm soát nhiệt và dẫn đến cháy nổ. 

Ngược lại, với pin thể rắn, do không có chất lỏng lưu động nên năng lượng không bị tích tụ cục bộ, ngăn chặn hiệu quả nguy cơ cháy. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, ngay cả trong kịch bản xấu nhất là xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, lượng nhiệt sinh ra của pin thể rắn cũng chỉ bằng khoảng 20-30% so với pin lỏng truyền thống, giúp hạn chế tối đa sự lan rộng của đám cháy.

Đột phá về hiệu năng của pin thể rắn

Không chỉ dừng lại ở yếu tố an toàn, pin thể rắn còn mang lại những thông số kỹ thuật ấn tượng mà pin truyền thống khó lòng đạt được, từ mật độ năng lượng cho đến tốc độ sạc và tuổi thọ, mở ra khả năng ứng dụng cho các thiết bị cần công suất xả lớn trong thời gian ngắn.

Về dung lượng, pin thể rắn cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với pin Li-ion. Nếu như pin Li-ion thường có mật độ năng lượng dưới 300 Wh/kg, thì pin thể rắn có thể dễ dàng vượt qua mức 350 Wh/kg. Điều này đạt được nhờ khả năng sử dụng cực dương (anode) bằng kim loại Lithium thay vì than chì giúp thiết bị lưu trữ được nhiều năng lượng hơn trong cùng một kích thước.

Bên cạnh đó, tốc độ sạc và độ bền cũng được cải thiện đáng kể. Sự kết hợp giữa chất điện phân rắn và cực dương kim loại Lithium cho phép truyền tải ion nhanh hơn, giảm thiểu hiện tượng quá nhiệt khi sạc dòng cao. 

Ví dụ điển hình là Panasonic đã công bố một loại pin thể rắn cho máy bay không người lái (drone) có thể sạc từ 10% lên 80% chỉ trong vỏn vẹn 3 phút. Về độ bền, pin thể rắn chịu được dải nhiệt độ hoạt động rộng hơn, vận hành tốt ở trên 60°C mà không bị suy giảm hiệu suất nhanh như pin lỏng. 

Một thử nghiệm của Volkswagen cho thấy nguyên mẫu pin thể rắn của họ vẫn giữ được 95% dung lượng sau 1,000 chu kỳ sạc, tương đương với quãng đường lái xe khoảng 500,000 km.

Bảng so sánh: Pin Lithium-ion thường vs pin thể rắn

Để hình dung rõ hơn sự vượt trội của công nghệ mới, dưới đây là bảng so sánh chi tiết các đặc tính kỹ thuật quan trọng:

Ứng dụng trong pin dự phòng

Mặc dù pin thể rắn sở hữu rất nhiều ưu điểm tuyệt vời và đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Công nghệ pin thể rắn hoàn toàn đủ trưởng thành để thương mại hóa thế nhưng vẫn còn một nhược điểm chí mạng khiến nó chưa phổ biến đó là chi phí sản xuất và thách thức trong việc sản xuất ở quy mô lớn.

Tuy nhiên với cuộc đua đang ngày càng nóng lên trong lĩnh vực xe điện, công nghệ pin thể rắn đã có nhiều bước tiến đáng kể. Vào năm 2023, Yoshino đã trở thành nhà sản xuất đầu tiên ra mắt trạm sạc dự phòng dùng pin thể rắn thương mại, với mật độ năng lượng cao gấp 2.5 lần và công suất đầu ra gấp đôi so với các đối thủ dùng pin Lithium truyền thống. 

Gần đây, Startup BMX đã gọi vốn thành công cho dự án pin dự phòng của mình và các sản phẩm thương mại đã bắt đầu tung ra thị trường. Dù chắc chắn có giá cao hơn nhiều so với pin dự phòng truyền thống thế nhưng với những ưu điểm tuyệt vời của công nghệ này chắc chắn nhiều người sẽ sẵn sàng xuống tiền.

Các thử nghiệm ban đầu cho thấy lõi pin của pin dự phòng BMX hoàn toàn không có hiện tượng cháy nổ ngay cả khi đóng đinh, dùng dao cắt và thậm chí sau khi bị tác động nó vẫn có thể cung cấp dòng điện.

Có thể các bạn cũng đã biết, việc cháy nổ pin dự phòng không hiếm và việc pin dự phòng phồng rộp thậm chí còn phổ biến hơn. Có lẽ trong tương lai không xa sẽ có thêm nhiều hãng phụ kiện đầu tư vào công nghệ này khiến mức giá của những cục pin dự phòng thể rắn sẽ ngày càng cạnh tranh hơn và chắc chắn nó sẽ mở ra một cuộc "cách mạng" mới về an toàn, không lo cháy nổ.

Xem thêm:

• Trên tay Anker Prime A110B: Pin dự phòng 20k mAh, 220W đủ "gánh" mọi laptop, sạc đầy iPhone 2 lần, giá 2.9 triệu
• CellphoneS mở bán loạt cáp sạc, pin dự phòng thương hiệu CukTech với giá hấp dẫn
• Anker Nano Air 2 ra mắt: Pin dự phòng từ tính mỏng chỉ 8.6mm, hỗ trợ USB-C 20W và MagSafe, giá 820,000 đồng

Hiện CellphoneS đang mở bán độc quyền hai mẫu pin thể rắn mới toanh đến từ BMX, nếu bạn đang cần tìm một mẫu pin dự phòng an toàn không lo cháy nổ thì đừng bỏ qua nhé:

[Product_Info id='122832']

[Product_Info id='122810']

Ngoài ra, nếu bạn cần tìm một sản phẩm có giá dễ chịu hơn thì mẫu pin dự phòng bán rắn dưới đây cũng rất đáng để cân nhắc:

[Product_Info id='120978']