Pin thể rắn sẽ thay thế pin Lithium-ion

Pin thể rắn, có dung lượng cao hơn 60% và giảm nguy cơ cháy nổ so với Lithium-ion.

Nhật Bản đang dẫn đầu cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất pin thể rắn thay thế pin Lithium-ion phổ biến hiện nay. Theo WSJ, quốc gia này hiện xuất xưởng hàng nghìn viên pin thể rắn mỗi tháng và một số công ty đang tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất trong năm nay.

Pin thể rắn của TDK có kích cỡ chỉ bằng hạt gạo, được thiết kế để cung cấp năng lượng cho các thành phần nhỏ bên trong máy in và thiết bị đeo. (Ảnh: TDK).

Mục tiêu của các nhà sản xuất là đưa pin thể rắn lên smartphone và xe điện. Hiện công nghệ mới này có giá quá cao và chưa được thử nghiệm rộng rãi. Tuy nhiên, pin siêu nhỏ (kích cỡ chỉ bằng một hạt gạo) của công ty TDK đã được dùng cho một thành phần của máy in và đồng hồ đo năng lượng.

"Với nhu cầu ngày càng tăng trên các thiết bị lưu trữ năng lượng cỡ nhỏ, chúng tôi phải gấp rút tăng sản lượng để đáp ứng nhu cầu của khách hàng", Masahiro Oishi, đứng đầu dự án pin thể rắn của TDK, cho biết.

Pin Lithium-ion ra đời mở đường cho sự phổ biến của các thiết bị di động, xe điện, thiết bị lưu trữ năng lượng... Sony là công ty đầu tiên thương mại hóa Lithium-ion năm 1991. Tuy nhiên, pin này chưa thể đáp ứng nhu cầu của người dùng. "Mục tiêu của pin thể rắn là thay thế pin Lithium-ion trên smartphone", Norjo Nakajima, Giám đốc điều hành của Murata, nói. Nhờ sử dụng chất điện phân rắn thay vì ở trạng thái lỏng như pin Lithium-ion, pin thể rắn hạn chế nguy cơ rò rỉ hay cháy nổ.

So sánh giữa pin Lithium-ion và pin thể rắn. Với cùng kích cỡ, trong quá trình sạc, pin thể rắn tích trữ nhiều năng lượng hơn. (Ảnh: New Energy and Industry Technology Development Organization).

Thực tế, pin thể rắn đầu tiên được trang bị trên máy điều chỉnh nhịp tim từ năm 1970, nhưng ý tưởng ứng dụng công nghệ này trong thiết bị tiêu thụ năng lượng nhiều hơn đã xuất hiện trong thập kỷ qua. Năm 2011, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ryoji Kanno  thuộc Viện Công nghệ Tokyo phát hiện một loại vật liệu rắn giống thủy tinh có thể dẫn điện như dung dịch điện phân hiện nay.

Ngoài ra, chất điện phân rắn cho phép nhà sản xuất pin chế tạo cực dương của pin bằng kim loại Lithium, thay vì than chì. Lithium có thể chứa nhiều electron hơn than chì nên dung lượng pin thể rắn cao hơn 60% pin Lithium-ion cùng kích cỡ.

Thách thức lớn nhất trong để thương mại hóa loại pin này nằm ở giá thành. Theo Nakajima, các công ty có thể điều chỉnh kích thước pin thể rắn phù hợp cho nhiều loại thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, các kỹ sư của ông sẽ mất đến ba năm nghiên cứu trước khi có thể đưa vào smartphone vào sản xuất hàng loạt.

Milan Thakore, chuyên gia của công ty tư vấn năng lượng Wood Mackenzie, cho biết sản lượng kim loại Lithium vẫn rất nhỏ so với than chì. "Cho đến khi chúng ta chứng kiến chuỗi sản xuất và cung ứng quy mô lớn, pin thể rắn vẫn là công nghệ năm 2030", ông nói.

Dẫu vậy, các công ty Nhật đang nỗ lực từng bước để tạo nên cuộc cách mạng trong công nghệ pin. TDK hiện sản xuất khoảng 30.000 pin thể rắn mỗi tháng và dự định tăng sản lượng 100.000 pin mỗi tháng trong năm nay.

Bên cạnh ứng dụng trên smartphone, pin thể rắn dành cho xe điện hứa hẹn giúp các nhà sản xuất ô tô đơn giản hóa hệ thống tản nhiệt cồng kềnh cho pin Lithium-ion, qua đó chiếc xe trở nên nhẹ hơn, mạnh hơn. Trong khi Nhật Bản là quốc gia sản xuất thành phần di động hàng đầu, nghiên cứu về xe điện liên quan đến một số startup Mỹ.

Pin Lithium-ion trên ôtô điện có kích thước lớn cùng hệ thống tản nhiệt cồng kềnh. (Ảnh: Power Electronics).

Solid Power trụ sở ở Colorado đã nhận được tài trợ 20 triệu USD và đang hợp tác với Ford để phát triển công nghệ pin mới. Theo Doug Campbell, Giám đốc điều hành Solid Power, pin của công ty có kích thước bằng một chiếc điện thoại và "vượt xa pin Lithium-ion về cả mật độ năng lượng và hiệu suất an toàn".

Tại Nhật, Toyota và nhà sản xuất pin Panasonic đã tham gia dự án trực thuộc chính phủ, nghiên cứu pin trạng thái rắn cho xe điện. Dự án nhằm tạo ra loại pin có dung lượng cao gấp ba lần pin Lithium-ion với chi phí chỉ bằng một phần ba. Kei Hoisoi, người đứng đầu dự án, cho biết tổ chức đã bắt đầu nghiên cứu từ năm 2018 và đạt được một số thành tựu, nhưng mục tiêu giảm giá pin thể rắn còn rất xa.

"Hiện chúng tôi có thể tạo ra pin thể rắn giống loại dùng trên mẫu xe Nissan Leaf", Hosoi nói. "Nhưng chúng tôi không thể thâm nhập thị trường cho đến chi phí chế tạo thấp hơn".

• Nhật sắp thương mại họa pin thể rắn, nhỏ hơn đầu ngón tay, an toàn hơn pin li-ion
• Pin thể rắn thay thế pin Li-ion có được bước tiến quan trọng để ứng dụng vào smartphone