Pin thể rắn đang nổi lên như một bước nhảy vọt tiếp theo trong công nghệ năng lượng, hứa hẹn thay đổi cách cung cấp năng lượng cho thế giới. Với khả năng sạc nhanh chóng chỉ trong vài phút và tuổi thọ dài hơn đáng kể so với pin lithium-ion hiện tại, pin thể rắn đang được coi là tương lai của ngành công nghiệp năng lượng.

Giáo sư Cengiz S. Ozkan, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết rằng pin thể rắn đang ngày càng tiến gần hơn đến hiện thực. Bài đánh giá của nhóm nghiên cứu cho thấy khoa học đã tiến xa đến đâu và cần những bước tiếp theo nào để đưa những loại pin này vào sử dụng hàng ngày.

Pin thể rắn hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự pin lithium-ion, nhưng thay vì sử dụng chất lỏng dễ cháy để di chuyển các ion lithium, pin thể rắn sử dụng vật liệu rắn như gốm, polyme hoặc các hợp chất gốc sulfide. Sự thay đổi này không chỉ loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ, mà còn cho phép sử dụng kim loại lithium nguyên chất làm cực dương, giúp pin nhẹ hơn, dung lượng cao hơn và tuổi thọ dài hơn đáng kể.

Tốc độ sạc của pin thể rắn cũng vượt trội so với pin lithium-ion. Các thiết kế mới có thể đạt mức sạc 80% trong 12 phút, thậm chí chỉ 3 phút. Ngoài ra, pin thể rắn còn có tuổi thọ dài hơn, có thể duy trì hơn 90% dung lượng ngay cả sau 5.000 chu kỳ sạc.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa pin thể rắn vẫn còn là một thách thức. Pin thể rắn vẫn còn đắt đỏ và khó sản xuất ở quy mô lớn. Các vấn đề về giao diện, nơi các lớp rắn gặp nhau, vẫn ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin.

Các công ty lớn như Toyota, Samsung, QuantumScape và Solid Power đang đầu tư mạnh vào pin thể rắn. Tuy nhiên, để pin thể rắn thực sự đến được tay người tiêu dùng đại chúng, các chuyên gia ước tính vẫn còn cần thêm nhiều năm nữa.

Pin thể rắn hứa hẹn khả năng tái chế tốt hơn pin lỏng, nhưng nhiều hóa chất điện phân rắn vẫn thiếu các giải pháp phục hồi bền vững. Việc phát triển pin thể rắn sẽ cần kỹ thuật chế tạo cẩn thận, đầu tư lớn và những đột phá khoa học cơ bản để có thể hiểu và triển khai đầy đủ tiềm năng của nó.

Các nhà nghiên cứu đã đạt được một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực pin lithium-ion với sự ra mắt của chất điện phân mới, F-QSCE@30. Đây là kết quả của sự hợp tác giữa Đại học Công nghệ Lulea và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và vừa được công bố trên tạp chí Nano-Micro Letters. Chất điện phân này không chỉ tăng cường độ dẫn ion đáng kể mà còn giúp pin duy trì gần 100% dung lượng sau 350 chu kỳ sạc, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao.

F-QSCE@30 là một chất điện phân tổng hợp bán rắn ghép flo, được thiết kế để vượt qua những hạn chế của các chất điện phân hữu cơ lỏng truyền thống. Những chất điện phân này thường dễ bị rò rỉ, dễ cháy và kém ổn định bề mặt. Qua việc khai thác hiệu ứng cảm ứng tích hợp của các chuỗi, F-QSCE@30 đồng thời tăng cường độ dẫn ion và tạo ra một lớp bảo vệ LiF tự nhiên.

Vật liệu này được chế tạo dưới dạng màng gia cố sợi thủy tinh được xử lý bằng tia UV, mang lại độ dẫn điện tương tự chất lỏng nhưng lại không bắt lửa và bền chắc về mặt cơ học. Điều này không chỉ giúp loại bỏ các nguy cơ an toàn mà còn cho phép quy trình sản xuất cuộn hiệu quả.

F-QSCE@30 thể hiện hiệu suất ấn tượng với độ bền vượt trội; dung lượng gần như nguyên vẹn – một bước đột phá lớn trong việc giải quyết vấn đề phát triển sợi nhánh và suy giảm dung lượng, những thách thức lớn đối với pin lithium-ion hiện nay; tăng tốc vận chuyển ion – thể hiện hiệu suất chất điện phân và pin được cải thiện đáng kể.

Khả năng sản xuất quy mô lớn của vật liệu này cũng là một điểm đáng chú ý. Quy trình xử lý UV một bước của hexafluorobutyl methacrylate và các monome ion lỏng bên trong khung sợi thủy tinh tạo ra màng dày 90µm không nứt, hoàn toàn tương thích với các dây chuyền phủ hiện có.

F-QSCE@30 đã đáp ứng các mục tiêu của Hiệp hội Pin Tiên tiến Hoa Kỳ (USABC) năm 2030 về khả năng duy trì dung lượng và tốc độ, mở ra một hướng đi khả thi cho việc chế tạo các cell pin dạng túi với mật độ năng lượng trên 400 Wh/kg.

Các nhà nghiên cứu cho biết sẽ tiếp tục mở rộng khái niệm hiệu ứng cảm ứng này sang hóa học kim loại natri và kẽm, đồng thời tối ưu hóa độ bền cơ học cho các bộ pin thể rắn định dạng lớn. Điều này hứa hẹn một tương lai an toàn hơn và giàu năng lượng hơn cho xe điện và các hệ thống lưu trữ lưới điện.