Pin chứa silicon giúp cải thiện dung lượng pin cho các thiết bị điện tử

Công nghệ lithium-silicon được đánh giá sẽ giúp cải thiện dung lượng pin đáng kể so với lithium-ion phổ biến hiện nay.

Ngày nay, thiết bị điện tử ngày càng được nâng cấp với nhiều tính năng mới giúp con người giao tiếp, học tập, giải trí, thanh toán di động, chụp ảnh và xử lý trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên, có một linh kiện quan trọng nhưng gần như đóng băng suốt hơn nửa thế kỷ qua là viên pin.

Hiện nay, dù pin lithium-ion vẫn thống trị thị trường nhưng sự xuất hiện của biến thể lithium-silicon đang thu hút sự quan tâm của mọi người và được kỳ vọng sẽ trở thành giải pháp hiệu quả về dung lượng trong khi chờ đợi sự đột phá thực sự của công nghệ pin.

Pin chính là bộ phận lưu trữ và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử thông qua các phản ứng điện hóa. Nó bao gồm ba thành phần chính: cực dương (Anode), nơi quá trình oxy hóa (mất electron) diễn ra khi phóng điện, thường sử dụng vật liệu như than chì hoặc các kim loại; cực âm (Cathode), nơi xảy ra quá trình khử (thu electron) trong quá trình phóng điện, thường là các kim loại như lithium, coban hoặc mangan và cuối cùng là chất điện phân giúp các ion di chuyển giữa hai cực, tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua, thường ở dạng chất lỏng hoặc gel chứa ion.

Khi kết nối một thiết bị bên ngoài cần nguồn điện vào mạch pin thì các ion tích điện bắt đầu chảy từ cực dương đến cực âm thông qua chất điện phân, các electron di chuyển từ pin sang thiết bị được kết nối để cung cấp năng lượng cho chúng. Pin lithium-ion đã được nghiên cứu từ thập niên 1960 nhưng cho đến năm 1991 thì thiết bị này mới được thương mại hóa và trở nên phổ biến như hiện nay.

Trong khi đó, pin lithium-silicon là một biến thể sử dụng cực dương được làm từ các silicon và các ion lithium làm chất mang điện. Những thí nghiệm đầu tiên với vật liệu lithium-silicon đã được tiến hành từ những năm 1970 nhưng cực dương kết hợp với silicon được đưa ra lần đầu năm 2002.

Ưu thế của pin lithium-silicon

Theo thông tin từ Science Direct, việc chỉnh sửa nhỏ ở cực dương trong pin lithium-silicon đã mang lại cải thiện đáng kể về công suất. Hiện tại, dung lượng của than chì được giới hạn ở mức 372 mAh trên mỗi gram. Trong khi đó, silicon tinh thể nguyên chất có công suất lên đến 3.600 mAh mỗi gram, tức là cao gấp khoảng 10 lần.

Ngoài ra, theo Clean Technica, silicon cũng thuộc loại thể rắn giống như lithium-ion nhưng lại có những ưu điểm đáng chú ý như tuổi thọ cao hơn và thời gian sạc nhanh hơn cũng như chi phí sản xuất thấp hơn. Đồng thời, trọng lượng của pin cũng giảm đáng kể so với hầu hết các loại pin thể rắn phổ biến hiện nay.

Tại sao pin lithium-silicon chưa phổ biến?

Việc sử dụng silicon tinh thể để tạo ra pin dung lượng 50.000 mAh là rất khó. Bởi vì tinh thể silicon nguyên chất có đặc tính nguy hiểm là thay đổi thể tích khi nạp và xả điện tới 300%. Điều này có nghĩa rằng pin có thể bị phồng, vỡ, bắt lửa hoặc thậm chí phát nổ khi quá trình nạp và xả diễn ra quá nhanh.

Một thách thức khác của pin silicon là màng điện phân thể rắn (SEI). Theo thông tin từ Bộ Năng lượng Mỹ, SEI là một lớp màng hình thành trên các hạt hoạt động ở cực dương nhằm ức chế hoặc dừng các phản ứng tiếp theo giữa cực dương được gắn điện áp cực thấp và chất điện phân. Nếu màng này không đủ dày hoặc không hiệu quả, các phản ứng sẽ liên tục diễn ra và không thể kiểm soát gây tiêu thụ lithium nhanh chóng và làm giảm dung lượng cũng như tuổi thọ của pin.

Bước tiến của pin lithium-silicon

Để giải quyết vấn đề trên mà vẫn có thể thu được lợi ích, các nhà khoa học đã phát triển một loại vật liệu mới được gọi là silicon-carbon, sử dụng hạt nano silicon để tăng công suất của cực dương trong pin. Hiện nay, pin lithium sử dụng silicon-carbon thương mại có dung lượng khoảng 550 mAh/g, gần gấp đôi dung lượng của pin sử dụng điện cực là than chì.

Công ty Mỹ Amprius đã bắt đầu sản xuất mẫu pin sử dụng điện cực tổng hợp dây nano silicon vào năm 2014 và đã bán hàng trăm nghìn pin trong cùng năm đó. Đến năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã trình bày phương pháp đóng gói vi hạt silicon trong lớp vỏ graphene hoạt động như một lớp xen kẽ chất điện phân rắn ổn định.

Thực tế, pin sử dụng vật liệu silicon-carbon đã được sử dụng trên các mẫu xe của Tesla. Vào năm 2015, CEO của Tesla, Elon Musk, thông báo rằng mẫu pin chứa silicon được trang bị trên mô hình Model S giúp tăng thời gian hoạt động của ôtô lên 6%.

Tính đến năm 2018, các sản phẩm pin silicon từ các startup như Sila Nanotechnologists, Global Graphene Group, Enovix, Enevate và Group14 đã thu hút sự quan tâm của nhiều khách hàng tiềm năng. Trong số đó, Sila đã thiết lập các đối tác với BMW, Amperex trong lĩnh vực xe hơi, cũng như với Apple và Samsung trong ngành thiết bị di động.

Vào tháng 5 năm 2022, Porsche AG đã hợp tác với Group14, dự kiến sản xuất pin lithium-silicon tại Đức trong năm đó. Group14 cũng đang lên kế hoạch sử dụng nguồn tài trợ từ Porsche để thúc đẩy quá trình xây dựng nhà máy pin thứ hai tại Mỹ.

Trên thị trường smartphone, một số hãng đã áp dụng giải pháp mới này. Honor hiện đang sử dụng pin chứa vật liệu silicon-carbon cho các mẫu sản phẩm như Honor Magic 5 Pro, Magic V2 và dự kiến sẽ tiếp tục sử dụng cho mẫu Magic 6 Pro sắp tới.

Theo PhoneArena, pin lithium-silicon hiện đang có công suất cao hơn khoảng 20% so với pin lithium-ion. Những tiến bộ trong công nghệ này có thể đẩy mức tăng trưởng lên mức cao hơn trong tương lai. Do đó, việc điện thoại iPhone và Galaxy được trang bị pin dung lượng 10.000 mAh có thể không còn xa nữa.