Mặc dù đúng là ngày càng có nhiều mẫu xe điện cạnh tranh xuất hiện, nhưng để việc di chuyển bằng điện trở thành hiện thực, quyền tự chủ mà xe điện mang lại cần phải lớn hơn nữa.
Và đó chính xác là nhiệm vụ cơ bản của pin thể rắn, ngoài việc mang lại sự ổn định và an toàn cao hơn.
Công nghệ pin thể rắn là một sự phát triển của lithium-ion ngày nay (Li-Ion) pin; không chỉ được sử dụng trong xe điện mà còn trong tất cả các loại thiết bị điện tử, chẳng hạn như điện thoại thông minh.
John B. Goodenough –Một nhà khoa học và vật lý người Mỹ gốc Đức, nhà phát minh ra pin lithium-ion– ở tuổi 97 cũng đang dẫn đầu việc phát triển pin thể rắn sử dụng chất điện phân tinh thể vô cơ . Và trên thực tế, ông không đơn độc trong nghiên cứu này, vì Đại học California ở San Diego cũng đã đầu tư vào các chất rắn vô cơ như ôxít gốm và thủy tinh lưu huỳnh.
Việc đưa các chất điện phân ở trạng thái rắn vào thị trường sẽ làm cho nó có thể mang lại quyền tự chủ lớn hơn , an toàn và ổn định hơn, giảm chi phí kinh tế và cung cấp thời gian sạc ngắn hơn nhiều .
Một mặt, pin lithium-ion được tạo thành từ hai điện cực ; cực âm và cực dương, được phân chia bằng một bộ phân cách, được nhúng trong một tế bào và ngâm trong chất điện phân , một chất lỏng dẫn điện phản ứng hóa học với các ion cần thiết giữa các điện cực. Và sự kết hợp của nhiều ô tạo thành pin.
Khi chúng ta nổ máy xe, các phản ứng hóa học này được kích hoạt và bắt đầu sự lưu thông ion giữa các điện cực, tạo ra các electron, chuyển chúng đến các kẹp pin và tạo ra năng lượng. Và khi chúng ta sạc pin, các hạt sẽ lưu thông theo hướng ngược lại và quá trình nghịch chuyển diễn ra.
Như chúng ta đã biết, những loại pin này có tuổi thọ giới hạn từ 8 đến 10 năm , tương đương với khoảng 3.000 chu kỳ sạc hoàn chỉnh . Điều này là do lithium lỏng, theo thời gian, đông đặc lại và tạo ra các lỗ nhỏ được gọi là đuôi gai , trong đó có tội làm yếu pin, gây ra hiện tượng quá nhiệt và đoản mạch.
Và không chỉ như vậy, mà còn một vấn đề khác với chất điện phân lỏng đó có phải là dễ cháy không , yêu cầu hệ thống làm mát và an toàn để ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt và tổn thất công suất. Và tất cả điều này có nghĩa là chi phí, trọng lượng và khối lượng pin cao hơn.
Mặt khác, sự khác biệt chính ở pin thể rắn nằm ở chất điện phân mà, trong trường hợp này, là một chất rắn chứ không phải là chất lỏng. Nói cách khác, các tế bào lưu trữ năng lượng của những loại pin này không chứa chất lỏng dẫn điện mà được tạo thành từ một hợp chất rắn thực hiện chức năng tương tự như chất điện phân lỏng:nó truyền các ion giữa các điện cực để tạo ra năng lượng.
Hiệu suất tổng thể giống nhau, nhưng sử dụng chất điện phân rắn vô cơ tạo điều kiện cho nhiều khía cạnh. Cụ thể hơn, nhóm của John B. Goodenough, cộng tác với kỹ sư Maria Helena Braga, đã nộp bằng sáng chế cho chất điện phân thủy tinh rắn vào tháng 4 năm 2020. Phiên bản của nó có cực dương kim loại kiềm cho phép tăng mật độ năng lượng và tuổi thọ pin.
Nhờ hình ảnh của Spring8, chúng tôi có thể biết được cách hoạt động của những loại pin mới này liên quan đến pin lithium-ion hiện tại.
Chi phí sản xuất và bán hàng thấp hơn, an toàn hơn, không cháy, tuổi thọ cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn và nhiều khả năng tái chế hơn.
Sử dụng một hợp chất rắn trong các tế bào cung cấp mật độ năng lượng cao hơn, có nghĩa là khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn. Trong trường hợp bằng thủy tinh, nó có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn với trọng lượng nhẹ hơn.
Cụ thể hơn, loại pin này sẽ có khả năng lưu trữ năng lượng gấp ba hoặc thậm chí gấp năm lần so với tương đương lithium-ion của nó. Do đó, điều này có nghĩa là họ cho phép quyền tự chủ cao hơn nhiều .
Ngoài ra, chúng không chỉ giúp bạn có thể kéo dài chu kỳ sạc và xả (giúp tăng tuổi thọ hữu ích của chúng), nhưng chúng cũng làm giảm thoát nước thụ động (quá trình phóng điện của pin khi nó không được sử dụng).
Pin thủy tinh lithium do John B. Goodenough phát triển có khả năng chịu được hơn 20.000 chu kỳ sạc đầy (trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng đã vượt quá 23.000 chu kỳ ).
Chất điện phân ở trạng thái rắn giúp tăng tốc độ sạc và cung cấp thời gian sạc ngắn hơn nhiều (chỉ trong vòng vài phút), vì thời gian này được giảm tối đa sáu lần so với pin lithium-ion hiện tại.
Điều này là do pin được tạo thành từ một hợp chất vô cơ rắn (chẳng hạn như thủy tinh), cho phép chuyển động dễ dàng hơn và nhanh hơn giữa các điện cực.
Bằng cách ngăn chặn sự hình thành đuôi gai và loại bỏ khả năng nổ và cháy –Các loại pin lithium-ion hiện tại nào cũng có (mặc dù hãy nhớ rằng nguy cơ cháy trong xăng hoặc dầu diesel cao hơn bốn lần so với pin điện) - có thể tăng thêm độ an toàn được cung cấp.
Do đó, pin điện phân rắn, ít bị đốt nóng hơn, không cần hệ thống làm mát hoặc an toàn để ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt. Chúng cũng không cần dải phân cách giữa các điện cực hay lớp vỏ chống thấm nước bảo vệ mà xét cho cùng, chúng sẽ làm tăng thêm chi phí, trọng lượng và hơn một nửa thể tích của pin Li-ion.
Và như thể vẫn chưa đủ, những loại pin mới này hoạt động tối ưu ngay cả ở nhiệt độ khắc nghiệt xuống -20 ° C.
Sản xuất hàng loạt vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, nhưng nếu chúng ta nói về một vật liệu như thủy tinh, dễ sản xuất và nhanh chóng, nó sẽ cho phép tổng chi phí của cả bản thân pin và bản thân xe điện sẽ được giảm đáng kể . Nó cũng sẽ làm cho nó có thể sản xuất các tế bào từ vật liệu bền vững hơn nhiều so với các loại lithium-ion hiện tại.
Một điểm rất quan trọng khác cần lưu ý là những loại pin này sẽ giúp bạn có thể loại bỏ thực tế là tất cả coban hiện diện trong các ô; một nguyên liệu thô rất đắt, khan hiếm và không bền vững.
Ban đầu, người ta không mong đợi rằng loại pin này sẽ được bán trên thị trường trong ít nhất một thập kỷ . Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất đã bắt đầu đầu tư vào loại công nghệ này và thậm chí phát triển bằng sáng chế của riêng mình, như John B. Goodenough và Samsung đã thực hiện. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler và Volkswagen là ví dụ về các thương hiệu đã và đang đầu tư vào sự phát triển của nó.
Samsung trình bày vào tháng 3 năm 2020, tiến bộ của nó trong phát triển pin điện phân rắn, mà nguyên mẫu của nó hứa hẹn sản xuất pin nhỏ hơn 50% so với hiện tại. Công ty ước tính rằng trong vài năm nữa họ có thể giới thiệu điện thoại thông minh đầu tiên với công nghệ mới này.
Toyota Ví dụ, cho đến nay đã từ chối sản xuất ô tô chạy hoàn toàn bằng điện vì cho rằng vẫn còn hai hạn chế rất rõ ràng:thời gian sạc và phạm vi sử dụng xe điện. Bây giờ, với sự phát triển của chất điện phân rắn, Toyota cuối cùng sẽ ra mắt chiếc xe điện 100% đầu tiên có pin điện giải thể rắn vào năm 2022.
Chúng tôi đang nói về C-HR EV mới mà vào tháng 4 năm ngoái, đã cập bến các đại lý đầu tiên của Trung Quốc, nhưng ở châu Âu phải mất ít nhất một vài năm nữa mới có hàng. Dưới sự quản lý của công ty mới Prime Planet Energy &Solutions, liên doanh mới với Panasonic, dự kiến năm nay thương hiệu này sẽ có mặt tại Thế vận hội Olympic Tokyo một chiếc ô tô điện chạy bằng pin có chất điện phân rắn, nhưng do virus coronavirus, chúng tôi sẽ phải đợi lâu hơn một chút!
Một nghiên cứu mới từ MIT (Viện Công nghệ Massachusetts) cũng đang nghiên cứu thiết kế một cực dương kim loại làm bằng lithium nguyên chất.
Prologium (Nhà sản xuất pin Đài Loan) đã công bố vào đầu năm nay tại CES (sân khấu thế giới nơi trình diễn các đổi mới công nghệ) một thỏa thuận với các nhà sản xuất xe hơi khác nhau để lắp đặt pin thể rắn điện áp cao mới với chất điện phân gốm (dựa trên MAB, Multi Kỹ thuật Axis BiPolar +) trên ô tô điện của họ. Trong khi đó, KITECH (Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc) cũng không muốn bị bỏ lại phía sau với công nghệ mới đầy hứa hẹn này.
Một số ý kiến cho rằng tương lai của pin thể rắn sẽ sử dụng silicon thay vì thủy tinh, những người khác cho rằng hứa hẹn nhất là sử dụng thủy tinh dựa trên natri (muối), vì nó là vật liệu rất phổ biến trên trái đất và có tác động môi trường thấp. .
Tuy nhiên, mặc dù cả phương pháp và thời gian thực hiện của công nghệ này đều không chắc chắn và phải được thực hiện có tính đến tiêu chí tái sử dụng và tái chế và các quy trình, điều rõ ràng là nó sẽ liên quan đến một cuộc cách mạng thực sự và không chỉ trong tính di động điện mà trong toàn bộ ngành công nghiệp điện tử.
Bạn có thể tưởng tượng vận tải tư nhân, vận tải biển hạng nặng, hàng không và khu vực biển được cung cấp năng lượng bằng pin điện bền vững không? Lời tạm biệt dứt khoát với động cơ đốt trong và ô nhiễm. Giấc mơ có thành hiện thực?
Tương lai điện của Rolls Royce!
Động cơ Bentley hướng tới tương lai của hệ truyền động điện
LG Chem Tạo ra một tương lai tốt đẹp hơn với pin
Hiểu về pin ô tô điện