Công nghệ lithium-silicon được kỳ vọng sẽ tăng dung lượng pin lên đáng kể so với các loại pin lithium-ion phổ biến hiện nay.
Các thiết bị điện tử ngày càng được nâng cấp, trang bị nhiều chức năng mới giúp con người giao tiếp, học tập, giải trí, thanh toán di động, chụp ảnh, xử lý trí tuệ nhân tạo… Tuy nhiên, có một thành phần quan trọng gần như đã bị đóng băng mà không có tiến triển gì đáng kể. 50 năm qua là pin.
Đến nay, pin lithium-ion vẫn chiếm ưu thế trên thị trường, nhưng một biến thể khác là pin lithium-silicon được kỳ vọng sẽ trở thành giải pháp tiết kiệm dung lượng trong khi chờ đợi sự đột phá thực sự trong công nghệ pin.
Hình minh họa pin lithium silicon mới. hình ảnh: đấu trường điện thoại
Pin sử dụng các phản ứng điện hóa để lưu trữ và cung cấp năng lượng cho các thiết bị. Nó chủ yếu bao gồm ba phần, bao gồm cực dương (Anode), điện cực bị oxy hóa (mất electron) trong quá trình phóng điện. Vật liệu phổ biến là than chì hoặc kim loại; cực âm bị khử (electron) bằng các vật liệu như lithium, coban hoặc. mangan trong quá trình phóng điện) và cuối cùng là chất điện phân, thường là chất lỏng hoặc gel chứa các ion, giúp các ion di chuyển giữa các cực, cho phép dòng điện chạy qua.
Khi một thiết bị bên ngoài cần nguồn điện được kết nối với mạch pin, các ion tích điện bắt đầu chảy từ cực dương đến cực âm thông qua chất điện phân. Các electron di chuyển từ pin đến thiết bị được kết nối và cấp nguồn cho nó. Nghiên cứu về pin lithium-ion bắt đầu từ những năm 1960, nhưng chúng không được thương mại hóa cho đến năm 1991 và hiện đang được sử dụng phổ biến.
Trong khi đó, pin lithium-silicon là một biến thể sử dụng cực dương gốc silicon và các ion lithium làm chất mang điện. Các thí nghiệm đầu tiên với vật liệu lithium-silicon có từ những năm 1970, nhưng cực dương làm từ silicon được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2002.
Ưu điểm của pin lithium silicon
dựa theo hướng dẫn khoa học, pin lithium-silicon có những sửa đổi nhỏ ở cực dương để tăng công suất. Hiện tại, than chì có giới hạn dung lượng là 372mAh mỗi gram. Trong khi đó, silicon tinh thể nguyên chất có công suất 3.600mAh mỗi gram, gấp khoảng 10 lần.
Hơn nữa, theo Công nghệ sạchGiống như lithium-ion, silicon là chất rắn nhưng có tuổi thọ dài hơn, thời gian sạc nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Ngoài ra, pin còn nhẹ hơn đáng kể so với các loại pin thể rắn phổ biến nhất hiện nay.
Tại sao pin lithium-silicon vẫn chưa phổ biến?
Vậy silicon tinh thể có thể dùng để chế tạo pin 50.000mAh không? Câu trả lời là rất khó vì tinh thể silicon nguyên chất có đặc tính nguy hiểm là thay đổi âm lượng khi sạc và xả tới 300%. Điều này có nghĩa là pin có thể phồng lên, phát nổ, bắt lửa hoặc phát nổ khi được sạc và xả quá nhanh.
Một thách thức liên quan đến sự mất ổn định của tế bào silicon là màng điện phân rắn (SEI). Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, SEI là một màng mỏng được hình thành trên các hạt hoạt động của cực dương có tác dụng ức chế hoặc ngăn chặn các phản ứng tiếp theo giữa cực dương điện áp cực thấp và chất điện phân. Nếu không có lớp màng như vậy hoặc màng không đủ dày, các phản ứng sẽ tiếp tục xảy ra, gây tiêu hao lithium, khiến pin nhanh chóng mất dung lượng và rút ngắn tuổi thọ của pin.
Sự tiến bộ của pin lithium silicon
Để ngăn chặn điều này xảy ra nhưng vẫn thu được lợi ích, các nhà khoa học đã tạo ra một loại vật liệu mới gọi là silicon carbon sử dụng hạt nano silicon để tăng công suất của cực dương. Hiện nay, dung lượng của pin lithium silicon-carbon thương mại là khoảng 550mAh/g, gần gấp đôi so với pin sử dụng điện cực than chì.
Công ty Ampreis của Mỹ đã sản xuất một mẫu pin sử dụng điện cực tổng hợp dây nano silicon vào năm 2014 và sau đó thông báo rằng họ đã bán được hàng trăm nghìn pin trong cùng năm đó. Vào năm 2016, các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford đã đề xuất cách bọc các hạt silicon trong vỏ graphene, hoạt động như một lớp bánh sandwich điện phân rắn ổn định.
Trên thực tế, xe Tesla đã được trang bị pin silicon-carbon. Vào năm 2015, Giám đốc điều hành Tesla, Elon Musk, cho biết các tế bào chứa silicon được lắp đặt trong Model S đã giúp tăng thời gian chạy của ô tô lên 6%.
Tính đến năm 2018, có rất nhiều khách hàng tiềm năng cho các sản phẩm pin silicon từ các công ty khởi nghiệp Sila Nanotechnologists, Global Graphene Group, Enovix, Enevate hay Group14. Trong số đó, các đối tác của Sila bao gồm BMW và Amperex trong lĩnh vực ô tô hay Apple và Samsung trong lĩnh vực thiết bị di động.
Vào tháng 5 năm 2022, Porsche AG đã hợp tác với Group14 để sản xuất pin lithium-silicon tại Đức trong năm nay. Group14 cũng có kế hoạch sử dụng nguồn vốn của Porsche để đẩy nhanh việc xây dựng nhà máy sản xuất pin thứ hai tại Hoa Kỳ.
Trên smartphone, một số hãng cũng đã áp dụng giải pháp mới. Honor hiện đang sử dụng pin chứa vật liệu silicon-carbon trong Honor Magic 5 Pro, Magic V2 và các mẫu Magic 6 Pro sắp ra mắt. Quân đội Hoa Kỳ cũng được cho là đang nghiên cứu một loại dành riêng cho binh lính do trọng lượng nhẹ của nó.
năm ngoái, Dây kinh doanh Theo báo cáo, một loạt công ty pin bao gồm JCESR, Argonne và Blue Current đã công bố “sự phát triển của pin thể rắn, an toàn và chuẩn bị cho sản xuất quy mô megawatt”. Tuy nhiên, chưa có sản phẩm nào được thương mại hóa.
Theo các chuyên gia, trong thời gian tới, công nghệ pin sử dụng vật liệu silicon-carbon sẽ chuyển sang sử dụng pin lithium-silicon ở giai đoạn cao hơn. Mặc dù chưa phát huy hết tiềm năng nhưng công nghệ hiện cho phép đặt tế bào silicon trên thiết bị di động ở một mức độ nào đó là một dấu hiệu tốt.
“Yếu tố quan trọng nhất là vật liệu và quy trình sản xuất loại pin này không khác nhiều so với pin lithium-ion truyền thống. Điều này có nghĩa là các công ty có thể cân nhắc sản xuất, mở cửa rộng rãi và đầu tư ở mức chấp nhận được”, Jinhyuk Lee Ph. D. nói Đại học California Công nghệ sạch.
dựa theo đấu trường điện thoại, pin lithium-silicon hiện có dung lượng lớn hơn 20% so với lithium-ion. Nhưng những tiến bộ trong công nghệ có thể đẩy tiêu chuẩn này lên cao hơn nữa, vì vậy iPhone và điện thoại Galaxy với pin 10.000 mAh có thể không còn xa nữa.
