Công nghệ pin đã có một bước tiến dài trong những năm qua. Các tiện ích như máy bay không người lái và điện thoại thông minh sẽ không thực tế nếu không có công nghệ pin hiện đại tiên tiến.
Tuy nhiên, pin luôn có thể tốt hơn!
Pin trạng thái rắn dường như là bước tiến lớn tiếp theo và các sản phẩm sử dụng chúng đã sắp ra mắt. Điều này có nghĩa là bây giờ là thời điểm hoàn hảo để bạn tự làm quen với chúng là gì và tại sao chúng lại quan trọng.
“Trạng thái rắn” có nghĩa là gì?
Cho dù đó là pin ô tô axit chì, kiềm dùng một lần hay pin lithium polymer trong điện thoại, chúng đều sử dụng chất điện phân lỏng. Chất điện phân là một chất dẫn điện kết nối hai cực bên trong của pin. Các electron chạy qua chất điện phân, cho phép pin tích điện hoặc phóng điện.
Pin trạng thái rắn sử dụng chất điện phân rắn, thay vì chất điện phân lỏng truyền thống. Đó là điểm khác biệt cơ bản duy nhất giữa hai công nghệ pin. Nghe có vẻ đơn giản, nhưng các kỹ sư và nhà khoa học đã phải vật lộn trong nhiều thập kỷ để tìm ra một loại vật liệu rắn có thể hoạt động như một chất điện phân.
Pin trạng thái rắn có gì khó?
Các vật liệu khác nhau, chẳng hạn như gốm sứ và kim loại liti, có khả năng làm chất điện phân ở trạng thái rắn. Vấn đề là cách tiếp cận gốm đã dẫn đến hiệu suất pin kém. Kim loại liti có nhiều hứa hẹn, nhưng có một lỗ hổng chết người. Khi pin được sạc và xả, các "đuôi gai" kim loại phát triển qua chất điện phân. Pin có thể đoản mạch và trở thành mối nguy hiểm.
Tìm kiếm các giải pháp thực tế và hiệu quả về mặt kinh tế cho những vấn đề này là sứ mệnh của một số công ty và nhóm nghiên cứu trong vài năm qua. Bây giờ công việc đó sắp thành công.
Tại sao phải trải qua tất cả những rắc rối này? Hãy cùng xem xét những lợi ích mà pin trạng thái rắn hứa hẹn so với pin truyền thống.
An toàn
Pin lưu trữ một lượng lớn năng lượng và luôn có nguy cơ năng lượng này có thể được giải phóng một cách mất kiểm soát . Khi điều đó xảy ra, nó có thể có nghĩa là cháy, nổ và các kết quả không mong muốn khác. Pin trạng thái rắn, giả sử vấn đề dendrite được giải quyết, hứa hẹn sẽ an toàn và ổn định hơn. Có một điều, chúng không dễ bắt lửa, vì vậy cháy pin nên là dĩ vãng.
Điều này không chỉ quan trọng đối với các phương tiện điện như ô tô và máy bay không người lái, mà còn cho các thiết bị điện tử cá nhân như điện thoại thông minh và máy tính xách tay. Nhiều người bị thương mỗi năm do cháy pin trong các thiết bị điện tử của họ. Kết quả là toàn bộ ngôi nhà đã bị thiêu rụi!
Tốc độ sạc lại
Pin lithium hiện đại có thể sạc ở tốc độ ấn tượng, nhưng vẫn mất nhiều thời gian để đầy lên. Có một giới hạn về lượng năng lượng bạn có thể đổ vào pin lithium ion truyền thống trước khi tất cả đi ngang. Pin trạng thái rắn hứa hẹn sẽ sạc nhanh gấp sáu lần so với pin mà chúng ta hiện đang sử dụng. Điều đó có nghĩa là bạn sẽ sạc đầy điện thoại từ lúc trống đến lúc đầy trong năm phút hoặc sạc ô tô điện đến 80% trong 15.
Dung lượng và Kích thước Năng lượng
Pin Lithium ion hiện có mật độ năng lượng cao nhất trong số các loại pin được bán cho công chúng. Tuy nhiên, nó vẫn ít đặc hơn nhiều lần so với xăng. Mặc dù pin ở trạng thái rắn không mang lại lượng pin ngang bằng với khí, nhưng nó hứa hẹn sẽ tăng hơn gấp đôi mật độ năng lượng trên mỗi thể tích.
Nói cách khác, nếu bạn thay pin trong điện thoại bằng kiểu máy trạng thái rắn, về mặt lý thuyết, pin có thể chạy lâu hơn gấp đôi mà không tăng kích thước. Đây là một điểm bán hàng lớn khác cho xe điện, vốn không phổ biến như chúng có thể, nhờ vào sự lo lắng về phạm vi.
Tuổi thọ và độ bền
Hầu hết các loại pin lithium ion hiện tại đều bắt đầu suy giảm sau khoảng 500 chu kỳ sạc đầy. Sau thời điểm đó, pin bắt đầu giảm dung lượng cho đến khi nó gần như không thể sạc được nữa. Trong điện thoại thông minh, hiện có xu hướng có pin kín, điều này đặt ra một giới hạn khó khăn về tuổi thọ của thiết bị. Pin trạng thái rắn hứa hẹn sẽ tăng giới hạn đó lên rất nhiều. Nhiều như năm lần.
Vì vậy, trong trường hợp pin điện thoại thông thường sử dụng hàng ngày có thể bắt đầu xuống cấp sau hai đến ba năm, thì pin trạng thái rắn sẽ duy trì ở dung lượng danh định trong tối đa mười lăm năm. Đối với ô tô điện, nơi mà việc thay thế pin là vô cùng tốn kém, điều đó có thể ảnh hưởng đáng kể đến chi phí sở hữu đối với loại phương tiện này.
Điểm yếu của pin trạng thái rắn
Nếu tất cả điều này nghe có vẻ quá tốt để trở thành sự thật, thì có một số lưu ý đối với công nghệ. Một số vấn đề trong số này vẫn cần được giải quyết trước khi công nghệ pin trạng thái rắn được áp dụng rộng rãi.
Khi nào bạn có thể mua pin thể rắn?
Có một vài công ty như Sức mạnh vững chắc và QuantumScape, những công ty này tuyên bố là đỉnh cao của các ứng dụng pin trạng thái rắn thương mại.
Toyota có kế hoạch bán xe điện chạy bằng pin thể rắn sớm nhất là vào Năm 2021. Cả Solid Power và QuantumScape đều đang hướng tới việc tung ra pin cho các loại xe vào năm 2022 và 2024. Điều này có nghĩa là trong vài năm tới, chúng ta có thể bắt đầu cuộc cách mạng về pin.
Đó là trước khi chúng ta tìm hiểu những khả năng có được từ việc sử dụng graphene. Vật liệu kỳ diệu này hứa hẹn sẽ có những loại pin tốt hơn nữa, cho dù chúng có chất điện phân lỏng hay rắn trong đó. Việc bắt graphene để chơi bóng đã khiến các nhà khoa học và kỹ sư lảng tránh lâu hơn dự kiến, nhưng bạn đã có thể mua ngân hàng điện graphene lai ngay bây giờ. Thực sự, tương lai là ở đây.