Pin trạng thái rắn là gì và chúng sẽ giải quyết vấn đề tuổi thọ pin của chúng ta?

Công nghệ di động đang tăng sức mạnh theo cấp số nhân, nhưng công nghệ pin không theo kịp. Chúng tôi đang đạt đến giới hạn vật lý của những gì thiết kế lithium-ion và lithium-polymer thông thường có thể làm. Giải pháp có thể là một thứ gọi là pin thể rắn.

Pin trạng thái rắn là gì?

Trong một thiết kế pin thông thường - phổ biến nhất là lithium-ion - hai điện cực kim loại rắn được sử dụng với muối lithium lỏng đóng vai trò là chất điện phân. Các hạt ion di chuyển từ một điện cực (cực âm) sang điện cực kia (cực dương) khi pin sạc và ngược lại khi nó phóng điện. Chất điện phân muối lithium lỏng là môi trường cho phép chuyển động đó. Nếu bạn đã từng thấy pin bị ăn mòn hoặc bị thủng, thì pin axit Axit mà bị chảy ra (hoặc đôi khi phát nổ) là chất điện phân lỏng.

Trong pin ở trạng thái rắn, cả điện cực dương và âm và chất điện phân giữa chúng là các miếng kim loại, hợp kim hoặc một số vật liệu tổng hợp khác. Thuật ngữ liên kết trạng thái rắn có thể nhắc nhở bạn về các ổ dữ liệu SSD và đó không phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Ổ đĩa lưu trữ trạng thái rắn sử dụng bộ nhớ flash, không di chuyển, trái ngược với ổ cứng tiêu chuẩn, lưu trữ dữ liệu trên đĩa từ quay được cung cấp bởi một động cơ nhỏ.

Mặc dù ý tưởng về pin trạng thái rắn đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ, những tiến bộ trong sự phát triển của chúng mới chỉ bắt đầu, hiện đang được thúc đẩy bởi sự đầu tư từ các công ty điện tử, nhà sản xuất xe hơi và các nhà cung cấp công nghiệp nói chung.

Những gì tốt hơn về pin trạng thái rắn?

Pin thể rắn hứa hẹn một số lợi thế khác biệt so với người anh em chứa đầy chất lỏng của chúng: tuổi thọ pin tốt hơn, thời gian sạc nhanh hơn và trải nghiệm an toàn hơn.

Pin thể rắn nén cực dương, cực âm và chất điện phân thành ba lớp phẳng thay vì treo các điện cực trong chất điện phân lỏng. Điều đó có nghĩa là bạn có thể làm cho chúng nhỏ hơn - hoặc ít nhất là phẳng hơn - trong khi giữ nhiều năng lượng như pin dựa trên chất lỏng lớn hơn. Vì vậy, nếu bạn thay pin lithium-ion hoặc pin lithium-polymer trong điện thoại hoặc máy tính xách tay của bạn bằng pin thể rắn có cùng kích thước, nó sẽ được sạc lâu hơn nhiều. Ngoài ra, bạn có thể làm cho một thiết bị có cùng mức sạc nhỏ hơn hoặc mỏng hơn.

Pin trạng thái rắn cũng an toàn hơn, vì không có chất lỏng dễ cháy, độc hại và chúng không tỏa nhiệt nhiều như pin sạc thông thường. Khi được áp dụng cho pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử hiện tại hoặc thậm chí cả ô tô điện, chúng cũng có thể sạc nhanh hơn rất nhiều - các ion có thể di chuyển nhanh hơn nhiều từ cực âm sang cực dương.

Theo nghiên cứu mới nhất, pin trạng thái rắn có thể vượt trội hơn pin sạc thông thường từ 500% trở lên về công suất và sạc trong một phần mười thời gian.

Những bất lợi là gì?

Bởi vì pin trạng thái rắn là một công nghệ mới nổi, chúng cực kỳ đắt để sản xuất. Trên thực tế, chúng đắt đến mức chúng không được cài đặt trong bất kỳ thiết bị điện tử tiêu dùng lớn nào tại thời điểm viết bài. Vào năm 2012, các nhà phân tích viết cho bộ phận Phân tích Phần mềm và Xử lý Vật liệu Tiên tiến của Đại học Florida đã ước tính rằng một pin trạng thái rắn cỡ điện thoại di động thông thường sẽ có giá khoảng 15.000 đô la để sản xuất. Một chiếc đủ lớn để cung cấp năng lượng cho một chiếc xe điện sẽ có giá 100.000 đô la.

Làm cho một pin trạng thái rắn đủ lớn để cung cấp năng lượng cho điện thoại của bạn tốn hàng ngàn đô la ngày hôm nay.

Một phần của điều này là do tính kinh tế của quy mô không được áp dụng - hàng trăm triệu pin sạc được sản xuất mỗi năm, do đó chi phí sản xuất vật liệu và thiết bị được trải đều trên các dây chuyền cung cấp lớn. Chỉ có một vài công ty và trường đại học nghiên cứu pin trạng thái rắn, vì vậy chi phí để sản xuất mỗi chiếc là thiên văn.

Một vấn đề khác là các tài liệu. Mặc dù tính chất của các kim loại, hợp kim và muối kim loại khác nhau được sử dụng cho pin sạc thông thường đã được biết đến, chúng tôi hiện không biết thành phần hóa học và nguyên tử tốt nhất cho chất điện phân rắn giữa cực dương kim loại và catốt. Nghiên cứu hiện tại đang thu hẹp điều này, nhưng chúng ta cần thu thập dữ liệu đáng tin cậy hơn trước khi có thể thu thập hoặc tổng hợp các vật liệu và đầu tư vào các quy trình sản xuất.

Khi nào tôi sẽ sử dụng pin thể rắn?

Như với tất cả các công nghệ mới nổi, cố gắng tìm ra khi nào bạn sẽ chạm tay vào nó là điều tốt nhất.

Điều đáng khích lệ là nhiều tập đoàn khổng lồ đang đầu tư vào nghiên cứu cần thiết để đưa pin trạng thái rắn vào thị trường tiêu dùng, nhưng ngại một bước đột phá lớn trong tương lai trước mắt, thật khó để nói liệu sẽ có một bước tiến lớn. Ít nhất một công ty xe hơi cho biết họ sẽ sẵn sàng đưa một chiếc vào một chiếc xe vào năm 2023, nhưng không đoán được chiếc xe đó có thể có giá bao nhiêu. Năm năm dường như quá lạc quan; mười năm dường như nhiều khả năng. Có thể là hai mươi năm hoặc hơn trước khi các vật liệu được giải quyết và các quy trình sản xuất được phát triển.

Nhưng như chúng tôi đã nói ở đầu bài viết, công nghệ pin thông thường đang bắt đầu đập vào tường. Và không có gì giống như doanh số tiềm năng để thúc đẩy nghiên cứu và phát triển. Ít nhất một chút (rất, rất ít) có thể bạn sẽ có thể sử dụng một tiện ích hoặc lái một chiếc xe chạy bằng pin trạng thái rắn sớm.

Tín dụng hình ảnh: suchara Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krasnon / Shutterstock