Nhận thấy ưu điểm vượt trội của pin thể rắn như công suất hoạt động cao, tuổi thọ bền và an toàn, nhiều cuộc nghiên cứu cải tiến dòng pin này đã diễn ra, điển hình là nghiên cứu từ đại học Houston.

Pin thể rắn là loại pin có cấu tạo bao gồm điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân thường là các hợp kim, kim loại hoặc vật liệu tổng hợp ở dạng rắn. Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội về cả hiệu suất và độ an toàn, pin thể rắn vẫn chưa được sử dụng đại trà do chi phí sản xuất cao, cộng với đó là nguy cơ ảnh hưởng xấu đến môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Vì vậy, khi nghiên cứu ứng dụng pin thể rắn trên các dòng ô tô điện đặt ra thách thức lớn trong vấn đề xử lý pin thải ra môi trường.

Không ít các cuộc nghiên cứu diễn ra nhằm tìm giải pháp cho việc cải tiến pin thể rắn sao cho tiết kiệm, an toàn và thân thiện với môi trường hơn. Một trong số đó phải kể đến công trình nghiên cứu pin thể rắn từ nguồn gốc hữu cơ của các Giáo sư kỹ thuật tại Đại học Houston và cộng sự của họ tại Đại học Rice.

Ưu, nhược điểm của pin thể rắn

Pin thể rắn là sản phẩm được sáng chế nhằm khắc phục những hạn chế của pin thể lỏng. Về bản chất, loại pin này đã cải tiến rất nhiều qua thời gian và sở hữu nhiều ưu điểm đáng tự hào, tuy nhiên chúng vẫn chưa thực sự đáp ứng được sự kỳ vọng của con người.

Về ưu điểm

Pin thể rắn là loại pin sử dụng chất điện phân rắn, có thể bằng chất liệu hợp kim hoặc kim loại như coban, liti mà không phải chất lỏng giống pin Lithium – ion. Chất điện phân dạng rắn này cũng có xu hướng hoạt động như chất phân tách của pin. Tuy nhiên, với những chất rắn khác nhau, cường độ và hiệu quả hoạt động sẽ khác nhau. Điều này đồng nghĩa với việc, mặc dù đều là pin thể rắn nhưng con người hoàn toàn có thể tạo ra nhiều loại với cường độ hoạt động cao hơn.

Loại pin này được làm chủ yếu từ chất liệu rắn vì thế khả năng bắt lửa thấp, mật độ ổn định điện hóa cao hơn giúp tăng độ an toàn trong quá trình sử dụng xe điện. Nhờ vào đó, các trường hợp cháy nổ pin sẽ được hạn chế một cách tối đa nhất. Chưa hết, chất điện phân rắn còn cho phép pin xe điện có thể hoạt động ở dòng điện cao mà ít hư hỏng, tuổi thọ cao hơn và đem đến tốc độ sạc nhanh vượt trội. Theo một nghiên cứu gần đây của Samsung, xe ô tô điện nếu được trang bị pin thể rắn sẽ có thể đi được quãng đường tối đa là 800km chỉ với một lần sạc. Điều này sẽ giúp người dùng tiết kiệm tối đa thời gian, tăng phạm vi sử dụng, đồng thời nâng tổng số lần sạc pin cho xe điện.

Về nhược điểm

Cản trở lớn nhất trong quá trình vận hành và sản xuất pin thể rắn là độ giòn cao, dễ gặp sự cố không mong muốn. Điều này gây bất lợi cho nhà sản xuất và cả người dùng vì khó để đảm bảo pin sẽ giữ nguyên hiện trạng trong những trường hợp bị va đập hay xảy ra sự cố bất ngờ. Không ít các cuộc nghiên cứu được diễn ra nhằm khắc phục nhược điểm này của pin thể rắn. Tuy nhiên, việc tìm ra một loại chất rắn có khả năng dẫn điện tốt, khả năng chịu lực cao vẫn còn là bài toán nan giải.

Nghiên cứu cải tiến pin thể rắn từ nguồn gốc hữu cơ

Mặc dù gặp phải các vấn đề về hạn chế tài nguyên và chi phí cao, pin thể rắn vẫn được đánh giá là “nhân tố” tiềm năng trong công cuộc kiến tạo “tương lai xanh”. Chính vì thế, các cuộc nghiên cứu về loại pin này không ngừng được diễn ra trong những năm gần đây, nổi bật nhất là cuộc nghiên cứu pin từ nguồn gốc hữu cơ đến từ Nhóm nghiên cứu trường đại học Houston.

Nhóm gồm có Yan Yao, Cullen – Giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Kỹ thuật Cullen thuộc Đại học Houston, Tiến sĩ Jibo Zhang của UH cùng các đồng nghiệp Đại học Rice. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm nhằm chứng minh pin ở trạng thái rắn từ nguồn gốc hữu cơ có khả năng đem lại mật độ năng lượng cao gấp đôi so với thể lỏng thông thường. 

Nhờ có sự hỗ trợ của dung môi để thay đổi cấu trúc vi điện cực, thay thế chất điện phân ban đầu là chất lỏng thành chất rắn hữu cơ cộng thêm dung môi ethanol, nhóm nghiên cứu muốn hướng đến mục tiêu tối ưu vận tốc di chuyển của các ion đến các điện cực. Nhờ vào đó, các ion sẽ di chuyển đến các cực dương (ca tốt) và cực âm (anot) nhanh hơn, mật độ năng lượng sẽ cao hơn.

Trước đó, nhóm đã nhận thấy vấn đề chủ yếu khiến cho pin thể rắn không thể đưa vào sản xuất hàng loạt là do nguyên liệu. Trong đó, coban (CO) – kim loại có từ tính mạnh được sử dụng trong hầu hết các loại pin thể rắn có xu hướng ngày càng khan hiếm. Nếu tiếp tục sử dụng nguyên liệu này để sản xuất, dự tính sẽ tiêu tốn hơn 65.000 tấn vào năm 2030. Hơn nữa, nếu chất này không ứng dụng và xử lý đúng cách sẽ có nguy cơ gây hại đến môi trường và sức khỏe con người.

Do đó, “trong lần nghiên cứu này, chúng tôi đang phát triển các vật liệu cathode hữu cơ có nguồn gốc từ trái đất, không chứa coban, chi phí thấp để làm pin thể rắn, loại pin này sẽ không còn yêu cầu các kim loại chuyển tiếp khan hiếm trong các mỏ nữa” – Trích lời Yao – Điều tra viên chính của Trung tâm Siêu dẫn Texas tại UH (TcSUH).

Nhóm chỉ ra rằng chất điện phân trong pin xe điện không nhất thiết phải là chất lỏng và có thể chuyển sang dạng rắn. Chất điện phân dạng rắn sẽ hạn chế hiện tượng đoản mạch, cải thiện mật độ năng lượng và tăng công suất sạc nhanh.

Qua nhiều bài thử nghiệm kiểm chứng, nhóm phát hiện ra pin thể rắn được làm từ các hợp chất hữu cơ (OBEM-Li) chính là giải pháp thay thế hoàn hảo cho pin thể lỏng với độ “sạch” cao hơn và dễ dàng tái chế. Theo đó, chất điện phân dạng rắn sẽ được thay thế bằng các vật liệu hữu cơ thu được từ nhà máy lọc dầu hoặc nhà máy lọc sinh học. 

Tiếp đó, Giáo sư Yao và Zhang đã khám phá ra cách cải thiện mật độ năng lượng cấp điện cực trong pin OBEM-Li bằng cách tối ưu hóa cấu trúc vi mô cực âm để cải thiện quá trình vận chuyển ion. Để làm được điều này, cấu trúc vi điện cực đã được hai Giáo sư thay đổi bằng cách sử dụng một dung môi quen thuộc – etanol. 

Sau khi thí nghiệm được tiến hành, kết quả nhận được cho thấy vi cấu trúc hỗ trợ dung môi đã tăng mật độ năng lượng lên 300 Wh/kg so với vi cấu trúc hỗn hợp khô chỉ dưới 180 Wh/kg. Với sự đóng góp của Zhang, tỷ lệ sử dụng vật liệu được cải thiện lên 98% giúp tăng mật độ năng lượng cao hơn. Nhờ vào đó, các dòng pin EV thể rắn trong tương lai sẽ có công suất và tuổi thọ cao hơn.

Có thể nói, sự thành công của cuộc nghiên cứu này chính là một bước tiến quan trọng và là tiền đề giúp phát triển thêm nhiều nghiên cứu khác trong tương lai. Đặc biệt đối với ngành công nghiệp xe điện, các loại pin lithium – ion trên các sản phẩm hiện nay sẽ dần được thay thế bằng pin thể rắn an toàn hơn, tuổi thọ và công suất cao hơn.

Nhằm đuổi kịp xu hướng phát triển của ngành công nghiệp xe hơi, VinFast sẽ hợp tác ProLogium thành lập liên doanh sản xuất pin thể rắn cho xe ô tô điện tại Việt Nam. ProLogium được biết đến là công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực thương mại hóa công nghệ pin thể rắn từ năm 2013. Đây cũng là đơn vị đầu tiên thử nghiệm thành công dây chuyền ứng dụng pin thể rắn cho ô tô. Việc ứng dụng pin thể rắn của ProLogium sẽ giúp xe ô tô điện VinFast đi được quãng đường dài hơn, giảm thời gian sạc và tăng tổng số lần có thể sạc pin. Đây là một “nước cờ” thể hiện sự tự chủ công nghệ pin dành cho xe điện của VinFast, tạo nên “ưu thế” giúp VinFast đứng vững hơn trên thị trường trong tương lai.

Tham khảo thông tin và đặt mua VinFast VF e34 hoặc gọi điện đến hotline 1900 232389 để được hướng dẫn chi tiết.