Samsung đã có thể tránh được thảm họa do pin của chiếc Galaxy Note7 gây ra nếu họ sử dụng các viên pin thể rắn trên chiếc smartphone này. Được xem là bước tiến mới trong công nghệ pin trên smartphone, những viên pin thể rắn an toàn hơn, có thể chứa nhiều điện năng hơn, và có thể sử dụng trong các thiết bị mỏng. Tuy nhiên, thật không may, chúng quá tốn kém để có thể đặt vào trong những chiếc smartphone, tuy nhiên điều đó có thể thay đổi trong tương lai.
Tuy nhiên, chính xác thì pin thể rắn là gì và sự khác biệt giữa chúng với những viên pin Lithium Ion hiện nay là gì.
Điểm khác nhau biệt cơ bản giữa các viên pin Lithium Ion phổ biến hiện nay với pin thể rắn là một bên sử dụng dung dịch điện phân dạng lỏng để điều hòa dòng mang điện, trong khi những viên pin thể rắn lựa chọn chất điện phân thể rắn. Chất điện phân trong viên pin là một hỗn hợp hóa chất dẫn điện, cho phép dòng mang điện di chuyển giữa cực âm và cực dương.
Những viên pin thể rắn có cách hoạt động tương tự như những viên pin hiện tại, nhưng việc thay đổi trong vật liệu dẫn đến một số thay đổi trong thuộc tính của pin, bao gồm dung lượng lưu trữ tối đa, thời gian sạc, kích thước và độ an toàn.
Tiết kiệm không gian
Lợi ích đầu tiên của việc chuyển đổi từ chất điện phân dạng lỏng sang dạng rắn là giúp gia tăng mật độ điện tích trong viên pin. Thay vì phải có lớp ngăn cách dầy giữa các dung dịch hóa chất lỏng trong pin thông thương, những viên pin thể rắn chỉ cần một lớp màng ngăn rất mỏng để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch.
Lớp ngăn cách trong các viên pin Lithium Ion thông thường dày từ 20 đến 30 micromet. Công nghệ pin thể rắn có thể làm giảm độ dày màng ngăn đó xuống chỉ còn 3-4 micromet. Như vậy, chỉ cần đổi vật liệu mới, có thể tiết kiệm không gian gấp gần 7 lần so với trước.
Tuy nhiên, lớp màng ngăn cách không phải là bộ phận duy nhất trong mỗi viên pin, và do các bộ phận khác khó có thể thu nhỏ hơn nữa, đặt ra một giới hạn cho việc tiết kiệm không gian trong những viên pin thể rắn.
Ngay cả như vậy, những viên pin thể rắn vẫn có thể mật độ năng lượng nhiều gấp đôi so với pin Lithium Ion, khi thay thế cực dương (anode) bằng những vật liệu khác nhỏ hơn.
Kéo dài tuổi thọ pin
Các chất điện phân dạng rắn thường ít phản ứng hơn những chất dạng lỏng hoặc dạng gel hiện nay, vì vậy chúng được kỳ vọng sẽ có tuổi thọ dài hơn, và không cần phải thay thế sau khi mới dùng được 2 hay 3 năm. Điều này cũng có nghĩa là những viên pin này sẽ không phát nổ hay bắt lửa nếu chúng bị hư hỏng hoặc gặp lỗi trong quá trình sản xuất, như vậy chúng sẽ an toàn hơn cho người tiêu dùng.
Trong những viên pin smartphone hiện tại, những viên pin thay thế thường được sử dụng bởi những người muốn dùng cùng một chiếc điện thoại trong nhiều năm, do họ có thể đổi viên pin khác khi chúng bắt đầu có dấu hiệu hư hỏng.
Pin smartphone thường không duy trì được dòng sạc sau khoảng một năm, và vì vậy nó còn có thể làm cho phần cứng hoạt động không ổn định, khởi động lại, hoặc thậm chí dừng hoạt động sau nhiều năm sử dụng. Với những viên pin thể rắn, smartphone và các thiết bị khác có thể kéo dài tuổi thọ lâu hơn mà không cần thay thế pin.
Tuy nhiên, do có rất nhiều loại hợp chất hóa học được sử dụng làm chất điện phân trong pin thể rắn, nên tùy từng loại hợp chất mà tuổi thọ của chúng cũng sẽ khác nhau.
Các loại chất điện phân thể rắn
Dựa vào các loại vật liệu khác nhau cho chất điện phân, hiện nay có tám loại pin thể rắn chính. Đó là các hợp chất Li-Halide (hợp chất Halogen), Perovskite, Li-Hydride, gốc NASICON , gốc Garnet, Argyrodite (hợp chất sulfide giữa Germanium và bạc), LiPON (lithium phosphorus oxynitride), và gốc LISICON.
Biểu đồ cho việc nghiên cứu các hợp chất điện phân trong pin, theo thời gian và theo trạng thái tồn tại của nó.
Cũng tương tự như các ngành công nghệ mới nổi khác, các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm kiếm loại chất điện phân thể rắn tốt nhất để có thể sử dụng cho các loại sản phẩm khác nhau. Hiện tại vẫn chưa có một người dẫn đầu rõ rệt nào, nhưng các tế bào pin dựa trên hợp chất sulfide, LiPON, và gốc Garnet đang được xem có như có nhiều hứa hẹn nhất.
Bạn hẳn đã nhận ra tên nhiều hợp chất kể trên vẫn có chữ Lithium (Li) ở trong đó, bởi vì chúng vẫn sử dụng các điện cực Lithium. Nhưng ngoài ra còn có nhiều sự lựa chọn khác về vật liệu cho các cực âm và cực dương để cải thiện hiệu suất.
Pin màng mỏng
Ngay trong các loại pin thể rắn này, có thể phân chúng theo hai loại riêng biệt với mục đích sử dụng khác nhau: loại pin màng mỏng và loại pin kích thước lớn. Một trong những loại pin màng mỏng thành công nhất hiện có trên thị trường là LiPON, phần lớn được sản xuất với cực dương Lithium.
Chất điện phân LiPON giúp đem lại ưu điểm tuyệt vời về trọng lượng, độ dày và thậm chí cả sự linh hoạt, làm nó trở thành loại tế bào pin hứa hẹn cho các đồ điện tử đeo được và các thiết bị đòi hỏi pin kích thước nhỏ. Ngoài ra, LiPON còn cho thấy độ ổn định vượt trội về tuổi thọ khi nó chỉ mất 5% dung lượng sau khi sạc 40.000 lần.
Trong khi đó, các pin Lithium Ion thông thường chỉ sạc được từ 300 đến 1.000 lần trước khi sụt giảm đáng kể về dung lượng. Điều này có nghĩa là các viên pin LiPON có tuổi thọ lâu hơn từ 40 đến 130 lần so với các viên pin Li-Ion hiện nay.
Nhược điểm của LiPON là tổng mức dự trữ năng lượng và độ dẫn điện khá kém khi so sánh với pin dạng lỏng. Tuy nhiên, các công nghệ pin thể rắn khác có thể là chìa khóa để mang đến thời lượng pin lâu hơn cho smartwatch, một yếu tố có thể kích thích nhu cầu đối với những thiết bị đeo này.
Một loại pin màng mỏng.
Các loại pin lớn hơn, cồng kềnh hơn
Cho đến nay, các loại pin thể rắn vẫn chưa phù hợp với các viên pin lớn hơn để sử dụng cho tablet hay smartphone, chưa kể đến laptop hay các xe ô tô điện. Để có được những viên pin thể rắn lớn hơn với dung lượng cao hơn, độ dẫn điện cao gần bằng hoặc tương đương với những chất điện phân dạng lỏng, sẽ cần đến những công nghệ hứa hẹn như LiPON.
Một loại pin thể rắn Lithium Garnet kích thước lớn đang được phát triển bởi Viện ETH Zurich.
Các nghiên cứu về LISICON và LiPS hiện đã bắt kịp các loại pin LiPO, LiS và SiS, những người dẫn đầu trước đây trong lĩnh vực nghiên cứu này. Tuy nhiên, những loại hợp chất này vẫn có độ dẫn điện thấp hơn loại chất điện phân hữu cơ và dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, làm chúng chưa có tính thực tiễn khi áp dụng vào sản phẩm thương mại.
Khả năng dẫn điện cao
Đây chính là lợi thế của các chất điện phân Garnet Oxide (LLZO), khi các nghiên cứu về nó cho thấy nó có thể đạt được độ dẫn ion cao ở nhiệt độ phòng. (Độ dẫn ion đo lường khả năng các ion dịch chuyển qua một lớp vật liệu, và độ dẫn ion tốt là một điều bắt buộc với những viên pin lớn hơn để đảm bảo độ lớn dòng cần thiết).
Loại vật liệu này có khả năng dẫn điện chỉ kém hơn một chút so với các tế bào pin Lithium Ion dạng lỏng, và các nghiên cứu mới về LGPS (Li10GeP2S12) cho thấy rằng loại vật liệu này cũng có thể đạt được mức đó. Điều này cũng có nghĩa là các viên thể rắn có thể có cường độ dòng điện và dung tích tương đương với các tế bào pin Lithium Ion ngày nay, trong khi chúng vẫn có lợi thế khi giảm kích thước và tuổi thọ kéo dài hơn.
Garnet cũng duy trì được sự ổn định trong không khí và nước, làm nó cũng thích hợp cho các loại pin Li-Air (pin Lithium khí). Tuy nhiên, không may là nó phải được sản xuất bằng quy trình nung kết (sintering) rất đắt đỏ.
Điều này làm nó trở nên không hấp dẫn để sử dụng trong các viên pin tiêu dùng, đặc biệt khi so sánh với các loại pin Lithium Ion chi phí thấp. Trong tương lai, chi phí có thể sẽ giảm mạnh khi các kỹ thuật sản xuất mới được áp dụng, tuy nhiên hiện tại chúng ta vẫn còn một quãng đường khá xa đối với một sản phẩm pin thể rắn thương mại.
Tổng kết
Rõ ràng vẫn còn nhiều điều cần nghiên cứu với công nghệ pin thể rắn. Theo các dự báo mới đây nhất, có lẽ chúng ta sẽ vẫn chưa thấy loại pin này phổ biến trên các sản phẩm tiêu dùng như smartphone trong vòng 4-5 năm nữa. Các viên pin thể rắn trên các thiết bị khác như drone, có thể sẽ xuất hiện sớm hơn vào năm tới.
Không những vậy, nghiên cứu mới nhất về một số loại vật liệu đã cho thấy kết quả có thể cạnh tranh tương đương với những viên pin Lithium Ion ở một số thuộc tính, trong khi vẫn có các lợi thế khác so với chất điện phân thể rắn. Tất cả những gì chúng ta cần quá trình sản xuất hiệu quả hơn, và hiện đã có một số nhà sản xuất pin lớn với nguồn lực đủ để biến điều đó thành sự thực.
Tóm lại, những lợi ích chính của các loại hóa chất này so với các loại pin tiêu dùng hiện tại ở chỗ: nó có thể sạc nhanh hơn gấp 6 lần, mật độ năng lượng cao hơn gấp đôi, tuổi thọ khi sử dụng có thể lên đến 10 năm thay vì 2 năm như hiện nay, và không có các thành phần dễ cháy. Đây chắc chắn sẽ là một ưu điểm khó có thể bỏ qua cho các smartphone và các thiết bị di động khác.
Theo Tri thức trẻ
