Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja: Với pin lithium-ion thông thường, bạn có hai điện cực - một cực dương và một cực âm, và khi bạn phóng điện vào tế bào, các ion lithium sẽ di chuyển qua cực dương và xen kẽ vào cực âm. Các điện cực chứa đầy chất điện phân lỏng và chất phân tách polyme được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch của tế bào. Các điện cực được kết nối với một mạch bên ngoài, qua đó các điện tử chạy qua và khi bạn phóng điện vào tế bào, dòng điện sẽ xuất ra, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe điện. Trong pin trạng thái rắn, nguyên tắc cũng giống như vậy nhưng bạn loại bỏ bộ phân tách và chất điện phân lỏng, thay vào đó bạn có chất điện phân rắn giữa hai điện cực. Một chất điện phân rắn có thể tạo ra một cực dương kim loại liti có công suất lý thuyết gấp mười lần một cực dương bằng than chì, làm tăng gấp đôi mật độ năng lượng của tế bào. Kim loại liti có tính phản ứng cao và có thể hình thành các đuôi gai trong quá trình quay vòng làm ngắn mạch tế bào. Chất điện phân rắn có thể ngăn cản sự hình thành dendrite một cách cơ học cũng như tăng độ an toàn của tế bào, vì bạn không có chất điện phân lỏng dễ cháy.
Pranav: Pin trạng thái rắn về cơ bản là pin lithium ion không có chất điện phân lỏng. Chất điện phân lỏng được thay thế bằng chất điện phân rắn, đó là lý do tại sao những loại pin này được gọi là pin trạng thái rắn. Nhiều người nhầm lẫn rằng pin trạng thái rắn là loại pin hoàn toàn khác với pin lithium ion hiện có. Đó không phải là tình huống. Chỉ là chất điện phân lỏng giờ đã được thay thế bằng chất điện phân rắn.
Pin Li-Ion so với tất cả pin trạng thái rắn Pranav: Như chúng ta đã biết, mọi người trong ngành pin đang liên tục làm việc để vượt qua một số thách thức lớn đối với quá trình chuyển đổi EV như thu được nhiều mật độ năng lượng hơn, thời gian sạc ít hơn, vòng đời tốt hơn. Với các cực âm mới được phát triển, tỷ lệ cực dương nhúng niken, silicon cao hơn, mật độ năng lượng của các tế bào này đã được cải thiện rất nhiều nhưng đồng thời chúng cũng kém ổn định hơn về mặt nhiệt học. Bên cạnh đó, sự cải thiện tương đối về thời gian sạc cũng ít hơn. Có vẻ như với các tế bào ion lithium thông thường, chúng ta đang tiến đến mức bão hòa đối với tất cả các thông số này. Để có được mật độ năng lượng cao hơn nữa, độ ổn định nhiệt tốt hơn và thời gian sạc ít hơn, chúng tôi cần chuyển sang một loại công nghệ mới và tôi tin rằng đó là nơi xuất hiện của pin trạng thái rắn.
Pooja: Một số điểm thú vị ở đó. Một lĩnh vực khác mà tôi nghĩ mọi người không xem xét là ngành công nghiệp hàng không, ngày càng chú trọng đến tính bền vững và quan tâm đến việc sử dụng pin trạng thái rắn để cung cấp một phần hoặc toàn bộ năng lượng cho các hệ thống động cơ điện trên máy bay, chẳng hạn như trong quá trình cất cánh hoặc hạ cánh. NASA cũng đã thông báo rằng họ sẽ sản xuất pin ở trạng thái rắn để tăng cường khả năng sạc lại và an toàn, vì vậy điều này thực sự hứa hẹn.
Pranav: Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin trạng thái rắn cũng giống như pin lithium ion thông thường. Trong pin Lithium ion thông thường, lithium trong catốt phân tách thành ion Lithium và điện tử. Electron di chuyển qua mạng bên ngoài trong khi ion Lithi bơi qua chất điện phân lỏng để đến cực dương. Đối với pin trạng thái rắn, nó ít nhiều giống nhau. Câu hỏi đặt ra là - làm thế nào để chúng ta di chuyển các ion từ cực dương sang cực âm và ngược lại? Về cơ bản, chúng tôi sử dụng một thứ gọi là sự khuếch tán - chúng tôi định vị lại các vị trí của lithium-ion trong mạng tinh thể chất rắn, chúng tôi tạo ra một số chỗ trống trong cấu trúc mạng tinh thể hiện tại để các ion liti có thể “nhảy” từ vị trí mạng này sang vị trí mạng khác, di chuyển từ cực dương sang cực âm và ngược lại. Đó là điểm khác biệt duy nhất trong phần hoạt động của pin.
Pooja: Việc loại bỏ chất điện phân lỏng và bộ phân tách làm cho pin thể rắn nhỏ gọn hơn, và với việc sử dụng cực dương kim loại lithium làm tăng mật độ năng lượng thể tích. Các ion liti hy vọng thông qua mạng tinh thể chất rắn là một quá trình tương đối nhanh nhưng bạn cũng gặp phải các vấn đề về giao diện với pin trạng thái rắn, bởi vì bạn có một giao diện rắn ở cực dương và cực âm và có thể có điện trở cao nên đó là điều cần xem xét và một lĩnh vực nghiên cứu đang hoạt động cho rất nhiều ngành đang cố gắng giải quyết vấn đề này.
Pooja: Giống như pin lithium-ion, cực âm sẽ vẫn chứa coban, mangan và niken; chúng tôi chỉ thay thế chất điện phân lỏng.
Pranav: Có, cực âm sẽ giống nhau. Có nhiều sự nhầm lẫn rằng pin trạng thái rắn không chứa coban, mangan và niken, nhưng điều đó không nhất thiết là đúng. Có khả năng sử dụng các cực âm khác nhau nhưng cực âm hiện tại vẫn sẽ được sử dụng ngay cả với pin trạng thái rắn.
Pooja: Một lợi thế với chất điện phân rắn là bạn có thể sử dụng cực âm điện áp cao, có hàm lượng niken cao hơn và hàm lượng coban thấp hơn, và đây là một lợi thế rõ ràng về việc giảm coban vì nó chủ yếu được sản xuất phi đạo đức và cũng tăng mật độ năng lượng bằng công suất nhân với cửa sổ điện áp hoạt động. Lý do mà chất điện phân rắn có thể được sử dụng với cực âm điện áp cao là bởi vì một số chất điện phân rắn có cửa sổ điện áp hoạt động ổn định trong khoảng từ 0 đến 5 V, và 5 V là nơi có nhiều chất điện phân lỏng sớm bắt đầu bị phân hủy, (khoảng 3 -4 V). Nhưng với pin trạng thái rắn, không rõ vật liệu làm catốt sẽ được cấu tạo từ những gì. Nếu bạn sử dụng vật liệu không có coban, niken hoặc mangan, chẳng hạn như cathode lithium iron phosphate (LFP), thì điều này tốt hơn về mặt đạo đức nhưng với EV vì bạn muốn có catốt điện áp cao để tăng mật độ năng lượng, thì vật liệu này sẽ cần phải dựa trên niken.
Một điểm khác là cách bạn phân loại các vật liệu điện phân rắn; bạn có chất điện phân vô cơ và hữu cơ. Loại thứ hai thường sử dụng một số loại chất điện phân polyme, nhưng vì độ dẫn ion của chúng thấp nên bạn không có xu hướng sử dụng chúng cho các ứng dụng EV. Khi bạn nhìn vào các chất vô tổ chức, mặc dù có rất nhiều cách phân loại - hai loại chính là nguyên liệu oxit và lưu huỳnh. Oxit là một loại gốm cứng và sẵn có, nhưng bạn phải nung chúng ở nhiệt độ cao khoảng 1000 đến 1200 o C và điều đó có rất nhiều chi phí liên quan. Các chất hóa học dựa trên lưu huỳnh là vật liệu mềm hơn, vì vậy bạn không cần phải xử lý chúng ở nhiệt độ cao như vậy, đây là một lợi thế, nhưng khi lưu huỳnh phản ứng với độ ẩm, nó sẽ tạo ra H 2 Khí S là khí độc, vì vậy những điều này phải được xem xét khi bạn có dây chuyền sản xuất, cũng như CO 2 khí thải.
Pooja: Giảm thời gian sạc; QuantumScape trích dẫn rằng tế bào của nó có thể sạc đến 80% dung lượng trong 15 phút, ít hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn ngành hiện nay, khoảng 30-40 phút và một trong những lý do chính bạn có thể làm điều này là vì không có chất điện phân lỏng dễ cháy trong pin ở trạng thái rắn, do đó bạn không cần phải nghĩ đến việc tăng nhiệt độ của tế bào khi sạc với tốc độ nhanh hơn.
Pranav: Như Pooja đã đề cập, thời gian sạc nhanh sẽ là một lợi thế lớn với SSB. 80% trong 15 phút có nghĩa là chúng tôi sẽ sạc được khoảng 26% trong thời gian 5 phút. Ngay cả khi giả sử là phạm vi 400 km, tương đương với phạm vi hơn 100 km trong vòng 5 phút của thời gian sạc nhanh, âm thanh khá ấn tượng. Ngoài điều đó ra, tôi đoán việc đóng gói pin được cải thiện là một lợi thế khác từ quan điểm kỹ thuật thiết kế.
QuantumScape đã xếp chồng thành công các tế bào một lớp của họ và bây giờ cho biết họ sẽ phát triển các tế bào pin trạng thái rắn nhiều lớp khi chuyển sang sản xuất thử nghiệm
Pooja: Rất khó để nói vì chưa có ai làm một gói đầy đủ. Về nguyên tắc có thể tái chế. Nhưng liệu có tiết kiệm chi phí để chiết xuất các vật liệu thông qua tái chế không? Cuối cùng, nó phụ thuộc vào hóa học của chất điện ly rắn. Bản chất rắn của chất điện phân rắn giúp chiết xuất các thành phần dễ dàng hơn so với chất điện phân lỏng. Và nếu sử dụng chất điện phân rắn có lưu huỳnh, lưu huỳnh rất rẻ, vì vậy việc tái chế có thể không hiệu quả. Nếu sử dụng chất điện phân rắn bằng gốm, đòi hỏi quá trình xử lý ở nhiệt độ cao và do đó tốn kém chi phí sản xuất, và sau đó nó có thể biện minh cho chi phí tái chế. Tôi chỉ nghĩ rằng những điều này chưa được xem xét đầy đủ vì chúng tôi chưa có pin thể rắn EV.
Pranav: Chính xác. Ngoài phần chất điện phân rắn, phần còn lại của nó giống như pin thông thường, vì vậy về mặt tái chế, nó sẽ tiếp tục phát triển trên con đường tương tự.
BASF xây dựng nhà máy nguyên mẫu tái chế pin mới ở Schwarzheide, Đức
Pooja: Pin trạng thái rắn cung cấp mật độ năng lượng gấp đôi và vốn dĩ rất an toàn. Vấn đề là các thách thức kỹ thuật và mở rộng chúng thành các ô định dạng lớn cho xe điện theo cách hiệu quả về chi phí.
Pranav: Về mặt tiến bộ, pin trạng thái rắn (SSB) đang phải đối mặt với các vấn đề ở nhiều cấp độ. Từ quan điểm kỹ thuật, các SSB đang phải đối mặt với các vấn đề với bản thân giao diện điện cực-điện cực, đó là sự tiếp xúc giữa chất điện phân rắn với cực dương và cực âm. Giao diện ô rắn tạo ra rất nhiều vấn đề về năng lượng khi các ion đang chảy. Cũng có một vấn đề với trạng thái cơ học. Các chất điện phân rắn có thể bị nứt dưới áp lực của các tế bào xếp chồng lên nhau khi tạo ra một bộ pin. Sau đó là vấn đề thương mại hóa để mở rộng quy mô sản xuất các loại pin này.
Pooja: Tôi đồng ý rằng quá trình sản xuất có thể khác nhưng tôi không coi đây là vấn đề lớn. Bạn không thể thực sự sản xuất pin trạng thái rắn như một tế bào hình trụ vì chúng không đủ linh hoạt để cuộn thành dạng hình trụ. Vì vậy, các dây chuyền sản xuất pin lithium-ion hiện tại sẽ phải thích ứng với các tế bào dạng túi. Nhưng có một lợi thế cho điều này bởi vì nếu bạn có thể loại bỏ việc sử dụng các mô-đun đắt tiền và đặt các ô vào các gói trực tiếp, thì có, bạn có thể phải thay đổi định dạng ô của mình, nhưng bạn sẽ tăng lên về mặt giảm trọng lượng và chi phí.
Về lâu dài, vấn đề lớn nhất là áp lực và vấn đề dendrite. Chất điện phân rắn mà chúng ta đã đề cập trước đó cũng hoạt động như một rào cản ngăn các đuôi gai liti đi giữa các điện cực và gây ra hiện tượng đoản mạch. Bằng cách áp dụng áp suất ngăn xếp, sự hình thành dendrite có thể được giảm thiểu bằng cách cung cấp tiếp xúc giao diện tốt hơn. Ngay cả QuantumScape, người đã cho biết pin của họ giải quyết được tất cả các thách thức cốt lõi gây khó khăn cho pin trạng thái rắn, chẳng hạn như thời gian sử dụng ngắn và tốc độ sạc chậm, vẫn đang hoạt động ở áp suất khí quyển 3,4. Chúng ta có thể làm điều này trong một chiếc xe đang di chuyển không? Thường thì 1MPa được báo cáo là áp suất khả thi đối với EV và vì vậy chúng ta nên hướng tới điều này. Chúng ta cần hiệu suất tế bào tương tự đối với pin trạng thái rắn nhưng dưới một áp suất thực tế mà chúng ta có thể áp dụng chỉ bằng cách xếp chồng tế bào.
Nếu bạn đang sử dụng chất điện phân lưu huỳnh, vẫn có sự cố xảy ra khi lưu huỳnh tiếp xúc với không khí và làm thoát ra khí độc. Các chất điện phân oxit không tạo ra khí độc như vậy, nhưng đòi hỏi nhiệt độ cao để thiêu kết, điều này rất tốn kém. Vì vậy, có sự cân bằng giữa việc giảm nhiệt độ thiêu kết chất điện phân đối với chất điện phân lưu huỳnh và chi phí liên quan đến việc xây dựng các buồng nhạy cảm với độ ẩm.
Vấn đề khác là xây dựng đủ gigafactories để giảm chi phí sản xuất tổng thể của pin trạng thái rắn vì chúng sẽ đắt hơn lithium ion ngay cả khi chi phí hóa học ban đầu thấp hơn.
Sạc lại Volvo C40 và XC40 chạy điện hoàn toàn tại trạm sạc Pranav: Điều đó nghe có vẻ đúng với tình trạng hiện tại. Thậm chí không có một mô hình tỷ lệ đầy đủ thích hợp có sẵn. Phần thương mại hóa có thể phụ thuộc vào cách sản xuất các tế bào này được điều chỉnh.
Pooja: Để nói cụ thể đó là những năm 2030 hay 2034 thì rất khó vì các công ty này đang xem xét các vật liệu điện phân rắn khác nhau và tất cả các chi phí liên quan và dây chuyền sản xuất sẽ khác nhau, vì vậy còn quá sớm để nói nhưng tôi không thấy chúng rẻ hơn chút nào. so với pin lithium-ion trước khung thời gian này.
Pooja: Đúng vậy, chúng thực sự có lợi thế hơn vì chúng không dễ cháy, vì vậy bạn có thể đưa chúng đến nhiệt độ cao hơn và thậm chí ở nhiệt độ thấp hơn nơi các sợi đuôi gai dường như hình thành. Vì vậy, trong khi gói này đắt hơn một chút, nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn như hàng không vũ trụ hoặc các phương tiện hiệu suất cao có thể yêu cầu phạm vi nhiệt độ cao trong quá trình hoạt động. Khi xe điện trở nên phổ biến, các công ty có thể đạt được hiệu quả kinh tế theo quy mô bằng cách tăng sản lượng và giảm chi phí.
Pranav: Vâng, đó là một trong những điểm nổi bật chính của pin trạng thái rắn. Phạm vi nhiệt độ rộng.
Pranav: Đúng. họ không cần hệ thống làm mát đắt tiền. Có khả năng họ không yêu cầu bất kỳ hệ thống làm mát nào. Ngoài ra, điều đó có nghĩa là các nhà sản xuất xe điện có thể sử dụng không gian đó để lắp nhiều pin hơn hoặc đóng gói kích thước pin hiện tại một cách hiệu quả hơn.
Pooja: Đúng, chính xác và điều đó cũng có thể giúp giảm chi phí sản xuất.
Pranav: Xe điện chở khách, có rất nhiều nghiên cứu đang diễn ra về mặt hàng không như chúng tôi đã đề cập, vì vậy nó có thể trở thành một trong những ứng dụng nhưng từ những gì tôi đã đọc, chúng ta sẽ thấy chúng đầu tiên trong xe điện.
Pooja: Vâng, tôi đồng ý, nhưng có lẽ tôi sẽ nói những chiếc EV sang trọng hơn, vì chi phí. Bất kỳ ứng dụng nào mà mật độ năng lượng và an toàn là tối quan trọng và chi phí không phải là vấn đề mà chúng ta sẽ thấy nó đầu tiên, vì vậy hàng không như Pranav đã nói. Tôi muốn nói rằng đối với các ứng dụng quy mô lưới hoặc hàng hải, nơi bạn muốn pin thật rẻ và điều đó không quan trọng về mật độ năng lượng hoặc kích thước thì các ngành công nghiệp sẽ không chuyển sang trạng thái rắn.
Pranav: Tất cả các nhà sản xuất ô tô phải thiết lập lịch trình cho bất kỳ dự án nào và năm 2025 là một mục tiêu tích cực, mặc dù hoàn toàn có thể cho bản demo, nhưng tôi chưa thấy nó đã sẵn sàng sản xuất vào lúc đó.
Pooja: Tôi muốn nói từ khía cạnh học thuật, trước tiên chúng ta cần giải quyết vấn đề dendrite. Giả sử chúng tôi nói với QuantumScape rằng họ đã giải quyết được vấn đề dendrite và hiện tại họ có một ô mười lớp sẽ tạo thành một phần của một ô túi duy nhất. Các thử nghiệm chu kỳ ban đầu của họ đã được thực hiện trên một tế bào lớp đơn, vì vậy họ cần phải tái tạo những kết quả này trên tế bào mười lớp của mình. Khi tế bào mười lớp hoạt động tốt, họ cần tích hợp các tế bào túi này thành một gói, thời gian sẽ là một đến hai năm và sau đó họ sẽ cần thử nó trong một phương tiện nguyên mẫu và song song với việc xây dựng một dây chuyền sản xuất. Trước tiên, chúng ta phải xem, nếu một khi họ đặt nó thành một gói đầy đủ, họ sẽ đạt được hiệu suất mà họ cần để xem liệu nó có đáng để mở rộng cho gigafactories hay không.
Solid Power là một công ty khác đã sản xuất ô túi 2Ah và họ hiện đang sản xuất 20Ah. Mặc dù khoảng thời gian còn khá xa, tôi nghĩ rằng trong một hoặc hai năm tới, ít nhất chúng ta sẽ có thể biết liệu điều này có được thương mại hóa và tích hợp vào EV với các vấn đề nói trên được giải quyết hay không. Đó là thời điểm để trở nên hào hứng, nhưng không còn xa:chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất và nếu nó chứng minh được giá trị của nó, với đủ tiền và các nhà đầu tư, để nhanh chóng tạo ra các cơ sở dây chuyền sản xuất.
Tập đoàn BMW và Ford đang hướng tới việc sử dụng công nghệ pin thể rắn năng lượng cao, chi phí thấp của Solid Power trong các mẫu xe điện sắp ra mắt Pooja: Tôi nghĩ rằng cả hai đều cần thiết và trong các trường hợp ứng dụng cao cấp như hiệu suất / xe điện hạng sang, nơi hiệu suất và an toàn là điều tối quan trọng, chúng tôi sẽ có trạng thái rắn, nhưng tôi không thấy lithium-ion sẽ sớm biến mất, nó khá rẻ và cho những thứ như hệ thống lưu trữ năng lượng, nó hoàn hảo, vì phản ứng nhanh, mô-đun hóa và cài đặt linh hoạt.
Pranav: Tôi cũng đồng ý với Pooja, ít nhất là trong vài thập kỷ tới và cho đến khi chi phí của pin trạng thái rắn giảm xuống, chúng ta sẽ thấy cả hai đều được sử dụng. Và về mặt tuyên bố của VW, tôi nghĩ chúng ta có thể thấy phạm vi tăng lên tới 50%.
Pooja: Đó là khá nhiều, trong đó có Samsung, người đã hợp tác với Toyota. Honda và Nissan, sau đó là Solid Power, những người được BMW và Ford đầu tư mạnh - những người sử dụng chất điện phân lưu huỳnh, khác với QuantumScape sử dụng chất điện phân gốm. Solid Power cũng đang tìm kiếm một cực dương silicon, điều này rất thú vị vì ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng cực dương lithium. Có Hệ thống Năng lượng Rắn mà General Motors đang hợp tác và họ sử dụng hệ thống điện phân hỗn hợp – một chất điện phân polyme rắn để bảo vệ cực dương liti nhưng có chất điện phân lỏng.
BMW và Ford sẽ bắt đầu thử nghiệm pin thể rắn từ Solid Power
Tình trạng hiện tại của thị trường ô tô Vương quốc Anh và một tương lai xanh hơn
Ô tô trong tương lai gần (Và cách chúng hỗ trợ ô tô không người lái)
Phanh trống là gì và hoạt động của chúng như thế nào