Cải tiến công nghệ pin đảm bảo an toàn cho xe điện

Vì sao pin lithium có nguy cơ cháy nổ?

Theo tạp chí Nature, phương pháp cải tiến mới được nghiên cứu để ngăn chặn sự tăng trưởng dendrite trong lithium không kiểm soát, dẫn đến khả năng sạc pin kém và mối nguy an toàn.

Dendrite là những hạt giống như kim cương xuất hiện trên bề mặt của lithium kim loại, được sử dụng làm anốt (cực dương) hoặc điện cực âm của pin. Chúng gây ra các phản ứng phụ không mong muốn như làm giảm mật độ năng lượng, và tồi tệ nhất là gây ra sự thiếu hụt các điện cực có thể dẫn đến cháy hoặc nổ.

Công trình nghiên cứu này được dẫn dắt bởi Giáo sư Chunsheng Wang thuộc Khoa Hoá học và Sinh học phân tử, đã ngăn chặn hiện tượng tăng trưởng dendrite mở ra cơ hội sản xuất pin thể rắn cho xe điện (EV). 

Khi những loại pin thông thường được vận hành ở công suất và tốc độ sạc-xả cao như nhu cầu của xe điện, các sợi nhánh lithium sẽ phát triển về phía cực âm, gây ra đoản mạch và giảm công suất.

Có tới 750.000 chiếc EV đăng ký tại Mỹ sử dụng pin lithium-ion, loại pin phổ biến vì khả năng tích trữ năng lượng cao nhưng lại chứa thành phần dễ gây cháy nổ khi bị quá nhiệt.

Mặc dù không có cơ quan chính phủ nào theo dõi các vụ cháy xe theo loại ô tô, và những vụ cháy pin xe điện xảy ra khá ít, nhưng luôn tồn tại nguy cơ hỏa hoạn.

Uỷ Ban An toàn Giao thông Mỹ cho rằng những người đầu tiên có mặt ở hiện trường khi sự cố về pin xảy ra có nguy cơ gặp nguy hiểm, bao gồm cả rủi ro điện giật và tiếp xúc với các khí độc hại phát ra từ pin bị hỏng hoặc đang cháy.

Giải pháp độc nhất 

Ông Wang cho biết, pin thể rắn giúp các mẫu xe an toàn hơn so với các mẫu EV và xe sử dụng động cơ đốt trong, nhưng việc tạo ra một chiến lược để phát triển sản xuất và khắc phục hạn chế đòi hỏi nhiều nguồn lực và công sức. Ông cùng Tiến sĩ Hongli Wan đã bắt tay vào phát triển lý thuyết về sự hình thành của dendrite trong pin lithium vào năm 2021.

Giải pháp độc nhất của hai nhà nghiên cứu là nhờ sự ổn định các bề mặt tiếp xúc của pin giữa chất điện phân rắn và cực dương (nơi các electron từ mạch điện đi vào pin) và chất điện phân và cực âm (nơi năng lượng thoát ra khỏi pin). Cấu trúc pin mới bổ sung thêm lớp xen kẽ giàu flo giúp ổn định phía cực âm, cũng như củng cố thêm lớp xen kẽ của cực dương bằng magie và bismuth—triệt tiêu dendrite phát triển. 

Ông Wang nhấn mạnh: "Pin thể rắn là thế hệ tương lai của pin vì chúng an toàn và có thể tích trữ được nhiều năng lượng bởi trong các loại pin thông thường hiện tại, để đạt được mức năng lượng cao thì không đảm bảo được độ an toàn và ổn định".

Để thương mại hóa pin thể rắn, các chuyên gia sẽ phải thu nhỏ lớp điện phân rắn để đạt được độ dày tương tự như chất điện phân của pin lithium-ion, giúp cải thiện mật độ năng lượng—hoặc lượng điện năng mà pin có thể lưu trữ. Vật liệu cơ bản sản xuất pin thể rắn có chi phí khá cao cũng là một thách thức mà nhóm nghiên cứu cần khắc phục.

Nhằm mục đích đưa loại pin mới ra thị trường vào năm 2026, nhà sản xuất pin tiên tiến Solid Power đã có kế hoạch bắt đầu thử nghiệm công nghệ mới để đánh giá tiềm năng thương mại hóa của pin thể rắn.