Pin lithium-ion phổ thông hiện nay có phạm vi hoạt động gần như không tương đương với phạm vi hoạt động của xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống và không có nhiều lợi thế cạnh tranh về khía cạnh này. Nguyên nhân chính là do pin lithium-ion đã gần đạt đến giới hạn thiết kế ở chế độ hiện tại. Ngoài ra, còn hạn chế về việc cải tiến vật liệu điện cực và hạn chế về việc cải thiện mật độ năng lượng gốc.
Trên thực tế, đối với pin lithium-ion mà chúng ta đang sử dụng, yếu tố chính ảnh hưởng đến dung lượng pin là vật liệu điện cực của điện cực dương và âm.
Sự phát triển của công nghệ pin đã và đang tạo ra bước ngoặt cho ngành công nghiệp xe điện toàn cầu. Mới đây, Trung Quốc đã ghi dấu ấn với công nghệ pin lithium thể rắn được xem là đột phá, mở ra tiềm năng to lớn cho xe điện nước này có thể chinh phục quãng đường lên đến 2.000km sau mỗi lần sạc đầy.
Vật liệu làm cực hiện nay chủ yếu là vật liệu gốc cacbon, vật liệu gốc silicon và một số vật liệu khác, chủ yếu là than chì. Cho dù đó là vật liệu than chì, vật liệu lai hay vật liệu graphene phổ biến hơn, chúng vẫn không phải là vật liệu lưu trữ điện trực tiếp. Thứ thực sự lưu trữ điện là lithium. Càng giải phóng nhiều ion lithium thì lượng điện có thể lưu trữ càng cao.
Ví dụ, điện cực than chì mà chúng ta đang sử dụng có dung lượng riêng tối đa theo lý thuyết là 372mAh/g. Nếu được thay thế trực tiếp bằng kim loại lithium, dung lượng lý thuyết có thể đạt tới 3860mAh/g và công suất trên một đơn vị khối lượng tăng hơn mười lần. Những vật liệu điện cực như vậy có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng năng lượng pin và giảm kích thước pin. Vậy tại sao trước đây kim loại lithium không được sử dụng trực tiếp làm điện cực?
Trước đây, pin lithium-ion được xem là công nghệ pin chủ lực cho xe điện. Tuy nhiên, pin lithium-ion có mật độ năng lượng thấp, thời gian sạc lâu và tuổi thọ pin ngắn, dẫn đến hạn chế về quãng đường di chuyển của xe điện.
Trên thực tế, pin dùng kim loại lithium làm điện cực âm đã có từ lâu, nhưng loại pin này không thích hợp để sạc vì khi sạc, các ion lithium không trở về vị trí ban đầu một cách hiệu quả. Ban đầu nó là một tấm kim loại lithium. Khi phóng điện, các ion lithium bị tách ra khỏi bề mặt. Mặc dù chúng sẽ quay trở lại bề mặt của tấm kim loại khi sạc nhưng chúng không còn bám đều vào bề mặt của kim loại lithium (thường sẽ bị phân tán theo dạng dendrite) và có khả năng cao là dải phân cách giữa điện cực dương và âm sẽ bị thủng dẫn đến đoản mạch, thậm chí có thể dễ dàng xảy ra hỏa hoạn. Vì vậy, pin sử dụng kim loại lithium làm điện cực âm thường là pin dùng một lần.
Pin lithium thể rắn được đánh giá là giải pháp đột phá cho những hạn chế của pin lithium-ion. Loại pin này sử dụng chất điện giải rắn thay cho chất điện giải dạng lỏng, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
Tuy nhiên, điều này lại khác khi nói đến pin ở trạng thái rắn. Vì chất điện phân là chất rắn chứ không phải chất lỏng nên các ion lithium không chuyển động ngẫu nhiên. Hiện tượng dendrite không còn quá đáng kể và các ion lithium dễ dàng di trở lại trạng thái ban đầu của chúng hơn. Đồng thời, do có chất điện phân rắn nên ngay cả khi xảy ra hiện tượng dendrite nhẹ cũng khó có thể gây đoản mạch và không gây nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn. Nói cách khác, pin thể rắn có thể sử dụng các điện cực kim loại lithium một cách an toàn mà pin lỏng không thể sử dụng, điều đó có nghĩa là dung lượng lý thuyết của pin thể rắn có thể tăng lên rất nhiều.
Công nghệ pin lithium thể rắn vẫn đang trong giai đoạn phát triển và cần được hoàn thiện hơn nữa. Giá thành sản xuất pin còn cao và cần được hạ giá để phổ cập rộng rãi.
Theo dữ liệu tính toán tài liệu, công suất lý thuyết của pin thể rắn có thể vượt quá 400Wh/kg. Nếu sử dụng cực âm điện áp cao, công suất lý thuyết có thể vượt quá 800Wh/kg. Làm thế nào để hiểu giá trị này? Pin thế hệ mới được CATL (một công ty công nghệ và sản xuất pin Trung Quốc được thành lập vào năm 2011) công bố gần đây có thể cung cấp cho ô tô phạm vi di chuyển hơn 1.000 km và mật độ năng lượng chỉ 255Wh/kg. Dựa trên sự so sánh này, không quá lời khi nói rằng pin thể rắn có thể giúp ô tô có phạm vi di chuyển hơn 2.000 km.
Điểm quan trọng đầu tiên được giải quyết bằng pin thể rắn là kim loại lithium có thể được sử dụng trực tiếp làm điện cực âm, do đó làm tăng đáng kể mật độ năng lượng. Điểm thứ hai mà nó giải quyết được là cải thiện độ an toàn của pin lithium-ion.
Công nghệ pin lithium thể rắn là một bước tiến đột phá cho ngành công nghiệp xe điện Trung Quốc, mở ra tiềm năng to lớn trong việc phát triển xe điện với quãng đường di chuyển xa hơn, thời gian sạc nhanh hơn và độ an toàn cao hơn. Tuy nhiên, cần có thêm thời gian để hoàn thiện công nghệ này và đưa vào ứng dụng thực tế một cách rộng rãi.
Lý do tại sao pin lithium-ion truyền thống không an toàn chủ yếu là do chúng sử dụng chất điện phân lỏng hữu cơ. Hầu hết các chất điện phân hữu cơ này là chất lỏng dễ cháy. Một khi chất điện phân bị rò rỉ, nó có thể dễ dàng bắt lửa. Đã có nhiều vụ tai nạn cháy tự phát của xe điện và thậm chí cả tai nạn cháy tự phát của máy bay, tất cả đều liên quan đến sự an toàn của pin lithium-ion.
Pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng hữu cơ dễ bị khí hóa và giãn nở, rò rỉ chất điện phân và cháy chất điện phân khi gặp phải các trường hợp nguy hiểm như đoản mạch, sạc quá mức... Nếu bạn chuyển sang chất điện phân rắn, về nguyên tắc có thể tránh được những mối nguy hiểm nguy hiểm này. Chất điện phân rắn nói chung là những chất không cháy, ngay cả khi tiếp xúc, chúng sẽ không bắt lửa và đương nhiên sẽ không cháy trong quá trình đoản mạch. Hơn nữa, bản thân chất điện phân rắn là chất có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao và không dễ tạo ra khí nên pin không dễ bị phồng lên.
Do đó, về nguyên tắc, pin thể rắn an toàn hơn pin lithium-ion truyền thống. Vì vậy, pin thể rắn đang là trọng tâm nghiên cứu và phát triển trên toàn thế giới.
Từ quan điểm nghiên cứu và phát triển, chất điện phân rắn nghe có vẻ đơn giản nhưng thực tế chúng có nhiều khuyết điểm khác nhau.
Nói chung, pin thể rắn là hướng phát triển trong tương lai của pin lithium-ion và có triển vọng phát triển rất hấp dẫn, nhưng vẫn còn một chặng đường dài trước khi chúng thực sự trưởng thành. Trong tương lai, có thể có một cơ cấu thị trường trong đó các tuyến kỹ thuật khác nhau cạnh tranh với nhau, cuối cùng chỉ có một hoặc hai giải pháp có thể nổi bật và có được chỗ đứng.