So sánh pin thể rắn và pin lithium: Cấu tạo, chi phí, ứng dụng

Công nghệ pin lithium đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xe điện hiện nay nhờ khả năng lưu trữ năng lượng bền bỉ. Tuy nhiên, khi so sánh pin thể rắn và pin lithium, một lần nữa sự tiến bộ công nghệ lại làm thay đổi cách chúng ta lưu trữ năng lượng với sự phát triển của pin thể rắn.

1. Cấu tạo và chất liệu tạo thành

Tiêu chí đầu tiên khi so sánh pin thể rắn và pin lithium chính là đặc điểm cấu tạo pin. Chi tiết cấu tạo 2 loại pin như sau: 

– Pin lithium: Cấu tạo gồm cực âm, cực dương, bộ phân tách và chất điện phân. 

• Cực dương: Phần lưu trữ các ion dương (cation) làm từ các oxit kim loại;
• Cực âm: Thường được làm từ graphit; 
• Bộ phân tách: Là vật liệu dùng để ngăn cách cực âm và cực dương, giúp ngăn chặn dòng electron và chỉ cho phép các ion đi qua; 
• Chất điện phân: Là chất lỏng ngăn cách 2 điện cực và vận chuyển các cation từ cực dương  đến cực âm khi phóng điện khi sử dụng và vận chuyển ngược lại khi sạc. 

– Pin thể rắn: Là loại pin gồm cả điện cực rắn và chất điện phân đều có trạng thái rắn. Theo đó, pin sử dụng hai cực âm và cực dương, các chất điện phân rắn hữu cơ hoặc vô cơ. Các chất được sử dụng tùy chọn bao gồm sulfur, oxit, phốt phát, polyester, polyether, gốc nitrile, polyurethane, polysiloxane và một số loại chất khác tùy thuộc nhà sản xuất. 

Nhìn chung, sự khác biệt chính giữa pin thể rắn và pin lithium nằm ở chất điện phân. Với pin lithium và phần lớn các loại pin khác hiện sử dụng chất điện phân dạng lỏng, trong khi pin thể rắn sử dụng chất điện phân dạng rắn.

2. Cách thức hoạt động

Cả 2 loại pin lithium và pin thể rắn đều sử dụng 2 điện cực một cực âm và một cực dương, cùng được làm từ vật liệu dẫn điện. Giữa 2 điện cực và bên trong chúng là chất điện phân chứa các hạt ion mang điện. Chất điện phân cho phép các ion liti di chuyển qua nó để kết hợp với cực dương hoặc cực âm (tùy thuộc vào quá trình sạc hoặc phóng điện). Phản ứng hóa học này cho phép dòng điện tích giữa cực âm và cực dương thông qua một mạch điện, cho phép pin tạo ra dòng điện cho thiết bị có thể hoạt động.

Điểm khác nhau giữa 2 loại pin nằm ở chất điện phân được sử dụng. Công nghệ pin lithium sử dụng chất điện phân dạng lỏng để điều chỉnh các ion lithium giữa cực dương và cực âm. Trong khi pin thể rắn sử dụng chất điện phân dạng rắn. Như vậy, khi bất kỳ thiết bị nào được kết nối với pin, ví dụ như bóng đèn, phản ứng hóa học xảy ra giữa cực dương, cực âm và chất điện phân sẽ tạo ra một dòng năng lượng điện để cung cấp năng lượng cho bóng đèn phát sáng.

3. Kích thước, trọng lượng pin

Yếu tố trọng lượng và kích thước cũng rất được chú trọng khi so sánh pin thể rắn và pin lithium. Về mặt kỹ thuật mật độ năng lượng đo lượng năng lượng mà pin chứa sẽ tỷ lệ với trọng lượng của pin. Pin thể rắn được cho là có khả năng cung cấp mật độ năng lượng gấp 2,5 lần so với công nghệ Lithium-ion hiện tại. Mật độ năng lượng của pin thể rắn được tăng lên đáng kể đồng nghĩa là chúng sẽ có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều so với pin lithium khi lưu trữ cùng một lượng năng lượng.

Kích thước và trọng lượng pin là một trong những mối quan tâm hàng đầu đối với các nhà sản xuất phương tiện ứng dụng pin điện di động, tiêu biểu như lựa chọn các loại pin ô tô điện phù hợp. Theo đó, pin thể rắn cho phép có thể được chế tạo với kích thước nhỏ hơn và lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Yếu tố này có thể tác động thay đổi cuộc cách mạng công nghệ trên các phương tiện xe máy điện, ô tô, xe tải, tàu thuyền và máy bay có thể sử dụng loại pin điện nhẹ hơn và chiếm ít không gian chứa hơn. 

4. Độ an toàn khi sử dụng

Đánh giá về độ an toàn khi sử dụng pin lithium và pin thể rắn cần căn cứ dựa trên đặc điểm chất điện phân mà hai loại pin này sử dụng. Theo đó, pin lithium sử dụng chất điện phân lỏng rất dễ bay hơi và dễ cháy. Các chất điện phân lỏng này cũng không được phép tiếp xúc với không khí. Khi pin lithium xảy ra các hiện tượng thoát nhiệt có thể dẫn đến cháy nổ. Trong khi, pin thể rắn không chứa thành phần chất điện phân lỏng, không dễ bay hơi, nên nguy cơ bắt lửa sẽ thấp hơn và không dễ cháy nổ như pin lithium. 

Thực tế thử nghiệm cũng cho thấy, khả năng bắt lửa trên pin thể rắn tương đối thấp, trong khi độ ổn định điện hóa cao và mật độ năng lượng lại cao hơn so với pin pin lithium điện phân lỏng. Cụ thể con số này cao hơn so với pin lithium trên cùng một thể tích. Nhờ vậy, pin thể rắn có khả năng kéo dài tuổi thọ chu kỳ sạc – xả – sạc có thể lên tới 10 năm. Với các dòng pin hiện tại như lithium thì tuổi thọ chỉ khoảng 4-5 năm cho xe máy điện và thậm chí đến 7-8 năm cho ô tô điện. Pin thể rắn cũng ít có nguy cơ rò rỉ dòng điện (tự phóng điện) và không tạo ra khí hydro. 

Tuy nhiên, pin thể rắn vẫn có điểm hạn chế khi sử dụng chất điện phân bằng gốm thay thế chất điện phân lỏng. Chất liệu gốm ít có khả năng bắt cháy hơn và cho phép các loại pin thể rắn này hoạt động với dòng điện cao hơn nhiều so với pin lithium. Đổi lại, vậy liệu gốm sứ lại có đặc tính rất giòn, có thể dễ gặp các sự cố trong quá trình vận hành và sản xuất pin. Giải pháp xử lý vấn đề này là có thể ngâm tẩm gốm sứ cùng với các hạt nano graphene, vừa giúp tăng độ bền của chất điện phân từ gốm, vừa duy trì độ dẫn ion điện tốt hơn.

5. Tốc độ sạc

Pin thể rắn có thể hoạt động ở mức năng lượng rất cao. Nghiên cứu cho thấy rằng chúng có thể sạc lại nhanh hơn. 

Tính năng sạc pin nhanh, hết hợp ưu điểm hiệu suất cao, độ an toàn đáng tin cậy và chi phí sản xuất thấp, pin thể rắn có thể tạo nên một cuộc cách mạng cho nhiều ngành công nghiệp sử dụng công nghệ pin điện. Pin thể rắn xứng đáng là một trong 5 công nghệ pin thay đổi ngành sản xuất ô tô trong tương lai. 

6. Chi phí sản xuất

Khi so sánh pin thể rắn và pin lithium về chi phí sản xuất, yếu tố chính quyết định phần lớn chi phí chính là chất điện phân được sử dụng. Chất điện phân rắn có thể cho phép quá trình sản xuất nhanh hơn nhiều, trong khi sử dụng ít nguyên liệu gây hại cho môi trường và tiết kiệm năng lượng hơn.

Ngoài ra, pin lithium cũng yêu cầu một số thành phần là các nguyên tố hóa học khá độc hại. Đây đều là những vật liệu khá hiếm và chi phí chiết xuất và tinh chế thì đắt đỏ. Những vật liệu này thường được khai thác từ các mỏ tại khu vực hay những quốc gia nghèo, ở đó lợi ích của người lao động và các vấn đề môi trường không được quan tâm.

Tại Việt Nam, nhà sản xuất xe điện VinFast hợp tác với ProLogium sản xuất pin thể rắn đón đầu xu hướng tương lai. 

7. Ứng dụng

Hiện nay các loại pin lithium đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và giao thông điện tử. Pin lithium được sử dụng phổ biến nhất trên các thiết bị điện tử, phương tiện giao thông, kỹ thuật hàng không, thiết bị y tế. Loại pin này được kỳ vọng sẽ có thể thay thế các dòng ắc quy chì trước đây. Một số dòng xe điện của VinFast cũng đang ứng dụng công nghệ pin lithium tiên tiến như xe máy điện VinFast Theon thời thượng. 

Trong khi đó, pin thể rắn được đánh giá là thế hệ tiếp theo của công nghệ pin năng lượng. Công nghệ pin mới nổi này đang được phát triển nhanh chóng và có thể sẽ cạnh tranh trực tiếp với các dòng pin lithium cho vị trí thống trị trên thị trường hiện nay. Pin thể rắn được ứng dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô, tàu thuyền, xe tải, máy bay hay kể cả những phương tiện quân sự. 

Nhờ những ưu điểm nổi bật, pin thể rắn đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xe điện (EV). Nó giúp giảm đáng kể trọng lượng xe, tăng độ tin cậy, độ bền khi sử dụng, phạm vi hoạt động, độ an toàn cao hơn và rút ngắn thời gian sạc hiệu quả so với pin lithium. Những lợi thế này sẽ giúp thay đổi cục diện cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp xe điện với nhu cầu sử dụng pin thể rắn đang tăng lên nhanh chóng. Tại Việt Nam, VinFast cũng đang tập trung nghiên cứu và phát triển ứng dụng pin thể rắn cho các sản phẩm xe điện hiện đại của VinFast bằng việc hợp tác sản xuất với ProLogium – Đơn vị đầu tiên trên thế giới có dây chuyền thử nghiệm công nghệ pin thể rắn cho ô tô điện.

Tổng kết lại các tiêu chí so sánh pin thể rắn và pin lithium, chúng ta có thể thấy mỗi loại pin có những ưu điểm nổi bật. Đặc biệt trong quá trình sử dụng cả 2 loại pin điện này đều không phát thải khí ô nhiễm môi trường, góp phần mang lại bầu không khí trong lành hơn khi di chuyển. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, công nghệ pin thể rắn nhỏ nhẹ hơn, sạc nhanh, mật độ lưu trữ năng lượng lớn, bền bỉ và an toàn hơn pin lithium, nên ngày càng được ưu tiên sử dụng phổ biến.