Tận dụng các công nghệ hiện tại, startup XNRGI tạo ra loại pin kỳ diệu mới, nhẹ hơn, mật độ năng lượng cao hơn và rẻ hơn

Mặc dù trở thành tiêu chuẩn cho loại pin có thể sạc, công nghệ pin Lithium-Ion vẫn chứa nhiều nhược điểm đối với việc phát triển ngành công nghệ xe điện. Chúng phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên khó khai thác, luôn tiềm ẩn rủi ro quá nhiệt và bắt cháy hoặc thậm chí phát nổ nếu có một lỗi nào đó trong quá trình sản xuất. Ngoài ra mật độ năng lượng thấp của pin Li-Ion vẫn hạn chế phạm vi hoạt động của xe điện.

Đây là thời điểm hàng loạt ngành công nghiệp đang cần đến một kiến trúc pin mới, dễ chế tạo hơn. Lý tưởng nhất, thiết kế pin đó còn phải có mật độ năng lượng cao hơn và thời gian sạc ngắn hơn để phù hợp với nhu cầu sử dụng của xe điện. Nhiều công nghệ pin mới đã ra đời để trả lời cho nhu cầu trên nhưng đến nay vẫn chưa có công nghệ nào trở thành hiện thực.

Tuy nhiên, startup XNRGI tại Portland, Oregon đang mang đến một công nghệ khác biệt so với những thế hệ đi trước. Khác biệt nằm ở chỗ, công nghệ pin kỳ diệu của họ lại được tạo nên từ các công nghệ hiện tại, khiến việc sản xuất trở nên dễ dàng hơn nhiều so với tạo nên một công nghệ pin hoàn toàn mới.

Tận dụng công nghệ cũ cho những mục đích mới

Trong khi pin Li-Ion thông thường sử dụng một lớp  graphene để làm chất dẫn điện 2 chiều trong pin, pin của XNRGI làm một đĩa silicon dạng xốp, với các lỗ trống 3 chiều chứa Lithium và các kim loại khác đóng vai trò như cực dương và âm của pin. Công nghệ chế tạo các đĩa silicon này không hề mới, chúng đã được sử dụng từ hàng thập kỷ nay bởi ngành công nghiệp bán dẫn.

Đĩa silicon với hàng chục triệu các lỗ nhỏ li ti trên bề mặt.

Thiết kế của XNRGI sử dụng các phiến wafer dạng xốp này để tạo ra một bề mặt giống như loại bánh waffle. Mỗi đĩa silicon đường kính 12 inch có thể mang trên mình 36 triệu lỗ siêu nhỏ với chiều dài 20 micromet mỗi cạnh. Sau đó mỗi đĩa này lại được phủ một chất không dẫn điện lên một mặt. Mặt còn lại của đĩa sẽ được bao phủ bằng một kim loại dẫn điện để mang theo dòng điện.

CEO của XNRGI, Chris D’Couto cho biết: "Lớp kim loại bao và lớp cách điện bao phủ bề mặt được chúng tôi sử dụng đều lấy ra từ ngành công nghiệp chip. Chúng tôi không phải phát minh điều gì trong quá trình xử lý."

Ưu điểm của thiết kế dạng xốp 

Một cách tự nhiên, các lỗ thủng trên bề mặt tấm wafer sẽ làm gia tăng diện tích bề mặt của viên pin lên tới 70 lần so với bề mặt hai chiều trong pin thông thường. Mỗi lỗ hổng lại được phân tách biệt lập với các lỗ hổng lân cận để loại bỏ khả năng bị đoản mạch nội bộ và giúp pin chống lại tình trạng lão hóa sau một thời gian nhất định.

Ông D’Couto cho biết: "Mỗi lỗ nhỏ li ti này đóng vai trò như một viên pin rất nhỏ. Khi bất kỳ lỗ nhỏ nào bị hỏng, vết hỏng đó sẽ không lan rộng ra. Kiến trúc này khiến cho viên pin hoàn toàn an toàn khi có thể ngăn chặn tình trạng thoát nhiệt và gây nổ."

Với thiết kế dạng xốp trên bề mặt phiến Silicon, diện tích bề mặt cực dương (anode) trên pin XNRGI sẽ lớn gấp 70 lần so với cực dương bằng graphene trong pin thông thường. Hơn nữa với việc sử dụng kim loại Lithium tinh khiết, cực dương trong pin Powerchip sẽ có mật độ năng lượng lớn gấp 10 lần cực dương trên các pin Lithium-Ion hiện tại.

Theo tuyên bố của XNRGI, loại pin Powerchip sử dụng kim loại Lithium của họ có mật độ năng lượng lên tới 400 Wh/kg, cao gần gấp đôi so với các cell pin 18650 trên các xe điện Tesla hiện nay với mật độ năng lượng khoảng 240 Wh/kg. Nhưng đây vẫn chưa phải điểm dừng cuối cùng của XNRGI, thế hệ pin Lithium Metal Air của công ty ra mắt vào năm 2020 dự kiến sẽ nâng mật độ năng lượng lên mức 680 Wh/kg, cao gấp gần 3 lần mật độ hiện tại của pin xe Tesla.

Các ưu điểm khác trong loại pin mới

Một nguyên nhân khiến cho các loại pin sạc lão hóa theo thời gian là khi dòng điện ra vào cực dương sang cực âm trong quá trình nạp và xả điện, nó sẽ tích tụ các chất hóa học không dẫn điện (các dendrite) trên bề mặt cực dương – tương tự như quá trình tạo thạch nhũ trong các hang động. Cuối cùng hiện tượng này sẽ tạo nên một lớp ngăn giữa cực dương và cực âm, làm viên pin dừng hoạt động.

Trong khi đó, thiết kế của XNRGI làm cực dương của pin có khả năng chống lại việc tích tụ lớp chất không dẫn điện trong bề mặt, nhờ vào lớp phủ không dẫn điện trên bề mặt tấm wafer silicon. Các nguyên tố này sẽ làm cho các ion Lithium không bám vào bề mặt cực dương và do đó khó có thể tích tụ lớp hóa chất làm cản trở khả năng hoạt động của pin.

Mỗi một lỗ nhỏ trên bề mặt đĩa silicon sẽ giống như một viên pin nhỏ.

Ông D’Couto ước tính rằng pin Powerchip của XNRGI sẽ có tuổi thọ dài gấp 3 đến 5 lần so với các loại pin Lithium-Ion ngày nay.

Đáng chú ý hơn cả là pin XNRGI được làm từ những phiến silicon loại cũ, dầy hơn, hiện không còn nhu cầu sử dụng. Các cơ sở sản xuất trên toàn cầu có thể những đĩa wafer này với giá rẻ và số lượng lớn.

Giảm thời gian sạc điện – một đặc tính lý tưởng cho xe điện

Việc gia tăng đáng kể diện tích bề mặt điện cực trong pin Powerchip cũng có nghĩa viên pin này có thể sạc và xả dòng nhanh hơn nhiều so với các cell pin Lithium-Ion truyền thống. Điều này rất có ý nghĩa đối với các loại xe điện khi thời gian sạc điện cũng là một yếu tố quan trọng.

Theo tuyên bố của D’Couto, cực dương của pin Powerchip có khả năng sạc từ 0% đến 80% chỉ trong vòng 15 phút. Bên cạnh khả năng sạc nhanh, XNRGI cũng ước tính các viên pin của họ sẽ tăng phạm vi hoạt động của xe điện lên tới 280% khi so với các khối pin Lithium-Ion thông thường có cùng trọng lượng.

Điều này có nghĩa những chiếc xe điện với phạm vi hoạt động phổ biến là 400 km có thể tăng lên hơn 1.100 km. Hơn nữa do các cell pin của XNRGI nhẹ hơn nhiều so với cell pin thông thường, các xe điện có thể chứa nhiều pin hơn nữa để hoạt động với phạm vi xa hơn với trọng lượng tương đương.

Đến khi nào loại pin tuyệt vời này sẽ ra mắt trên thị trường?

Hiện tại XNRGI đang hợp tác với các công ty đang sử dụng pin cho nhiều mục đích khác nhau, từ thiết bị điện tử tiêu dùng nhỏ cho đến các hãng xe điện hoặc thậm chí cả mạng lưới điện. Công ty hy vọng việc triển khai sản phẩm tiêu dùng và ký kết các thỏa thuận cấp phép sẽ bắt đầu diễn ra từ 2 đến 3 năm tới, tùy thuộc vào ứng dụng của loại pin mới.

Trong khi đó mảng pin cho xe điện sẽ cần thời gian lâu hơn do quá trình thử nghiệm của các hãng xe ô tô.

Ông D’Couto cho biết: "Chúng tôi dự kiến pin của mình sẽ được sử dụng trong các sản phẩm di chuyển như xe máy điện, xe đạp điện, drone, robot và nhiều hơn nữa trong năm 2020. Còn đối với ô tô điện, nhiều khả năng sẽ là 2022 hoặc 2023 với khối lượng giới hạn, và sẽ bắt đầu được chấp nhận với số lượng lớn trên ô tô điện vào năm 2024. Đó là điều bình thường đối với ngành công nghiệp ô tô do thời gian kiểm tra kéo dài của họ."

Tham khảo Digital Trends