Công ty Mỹ chuẩn bị ra mắt pin xe điện thể rắn chất điện phân gốm

Sự hợp tác chiến lược giữa công ty Hệ thống lưu trữ Ion (Ion Storage Systems)và công ty vật liệu gốm Saint-Gobain đang xây dựng nền tảng cho sự phát triển tiếp theo của công nghệ pin xe điện.

Vượt trội hơn pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng, hiện cung cấp năng lượng cho xe điện, pin thể rắn tương lai mang lại khả năng sạc nhanh hơn, phạm vi hoạt động dài hơn và độ an toàn cao hơn đồng thời giảm tác động đến môi trường trong quá trình sản xuất và sử dụng. Công ty Ion Storage Systems và Saint-Gobain đang nỗ lực vượt qua những thách thức để xây dựng quy trình sản xuất những loại pin tiên tiến này trên quy mô lớn.

Trong một động thái đầy tham vọng nhằm định hình lại ngành công nghiệp xe điện (EV), Ion Storage Systems đang chuẩn bị chuyển công nghệ pin thể rắn của doanh nghiệp từ sản xuất ở cấp độ thí điểm sang sản xuất dây chuyền thương mại khối lượng lớn.

Công ty khởi nghiệp công nghệ pin xe điện hiện đang hợp tác với Saint-Gobain, công ty có lịch sử 350 năm về vật liệu gốm, để hoàn thiện công nghệ này trong sản xuất công nghiệp.

Nếu quá trình thử nghiệm đạt được kết quả theo kế hoạch, pin xe điện tương lai sẽ sạc nhanh hơn, hoạt động lâu hơn, chi phí thấp hơn, sử dụng ít đất hiếm và hóa chất độc hại đồng thời có thể tái chế dễ dàng hơn, đẩy nhanh quá trình loại bỏ các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch ra khỏi ngành giao thông vận tải.

Pin xe điện thể rắn của tương lai

Xe điện hiện nay được cung cấp năng lượng từ pin lithium-ion, sử dụng chất điện phân lỏng. Pin xe điện trạng thái rắn là công nghệ hoàn toàn mới chưa trưởng thành. Công nghệ này thay thế chất điện phân lỏng bằng gel bán rắn hoặc vật liệu rắn thực sự.

Một thách thức rất lớn đối với các chất điện phân thể rắn hoặc bán rắn là khiến vật liệu trở lại hình dạng ban đầu giữa các chu kỳ sạc và xả mà không bị nứt hoặc vỡ vụn hoàn toàn. Nhưng lợi ích của sự thành công sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi xe động cơ đốt trong sang xe điện, giảm thiểu khí nhà kính.

Những thành quả sẽ đạt được khi phát triển thành công pin thể rắn đã thúc đẩy các nhà khoa học năng lượng xanh và công nghệ pin xe điện tập trung nghiên cứu để vượt qua trở ngại này.

Bộ Năng lượng Mỹ trong một tuyên bố cho biết: “Pin lithium thể rắn (SSB) cung cấp giải pháp thay thế với mật độ năng lượng cao và an toàn hơn so với pin lithium-ion truyền thống, đang sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông bằng điện và nhiều thiết bị di động khác nhau. Nhờ khả năng tăng cường phạm vi của xe điện trong cùng một thể tích của pin cho một lần sạc, pin thể rắn sẽ là một đột phá công nghệ lớn.”

Theo trang CleanTechnica, mặc dù có vẻ không logic nhưng ý tưởng sử dụng vật liệu gốm trạng thái rắn làm chất điện phân trong pin xe điện đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của Bộ Năng lượng Mỹ.

Sử dụng vật liệu gốm

Công ty Ion Storage Systems, được đề xuất trong một nghiên cứu về vật liệu gốm và khả năng ứng dụng vật liệu gốm vào công nghệ pin xe điện trạng thái rắn tại Đại học Maryland, Mỹ nhận được sự quan tâm của Văn phòng tài trợ ARPA-E thuộc Bộ Năng lượng Mỹ. Đây là cơ quan quản lý đầu tư nhà nước cho những dự án mạo hiểm có tỷ lệ rủi ro lớn nhưng có thể mang lại lợi nhuận cao.

Năm 2017, ARPA-E đã trao gần 5 triệu USD cho Đại học Maryland (UMD) trong dự án nghiên cứu kéo dài 5 năm, đặt mục tiêu ứng dụng chất điện phân vật liệu gốm công nghệ cao trong pin xe điện.

Trong những ưu điểm của pin thể rắn chất điện phân gốm, ARPA-E đặc biệt lưu ý đến khả năng giảm giá thành sản xuất của pin xe điện thể rắn, an toàn và dễ dàng tái chế.

Năm 2022, trong một thông cáo báo chí, ARPA-E, với sự tin tưởng cao về dự án nhấn mạnh, dự án được xếp vào chương trình “RANGE” của Văn phòng với mục đích hỗ trợ “các công nghệ lưu trữ năng lượng bằng phương pháp chuyển đổi điện hóa,” đặt mục tiêu thúc đẩy mạnh mẽ doanh số xe điện trên quy mô cả nước bằng sức hấp dẫn từ quãng đường lái xe dài hơn, chi phí mua và bảo trì thấp hơn.

Tháng 7/2022, văn phòng ARPA-E giải thích trong bản đánh giá tổng quan về sự phát triển của chương trình. “Trong nghiên cứu mới đã có những thành công ban đầu. Nhóm nghiên cứu phát triển pin xe điện của UMD đã phát triển thành công chất điện phân 3 lớp, được gọi là LLZO, có cấu trúc phân tử là Li7La3Zr2O12, đây là vật liệu gốm garnet mới có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng tương đương với những chất điện phân lỏng tiên tiến nhất trong pin lithium ion và pin kim loại cực dương lithium (LiB).

Kết quả đạt được là một vật liệu xốp đàn hồi tương tự như vật chất của não bộ, có thể thay đổi hình dạng trong phạm vi giới hạn. ARPA-E cho biết thêm: “Vật liệu mới cho chất điện phân có cấu trúc xốp. Cấu trúc pin thể rắn sẽ bao gồm điện cực dương, điện cực âm với chất điện phân rắn mỏng, cứng, mật độ cao nằm kẹp giữa.”

Công ty vật liệu chuyên dụng 350 tuổi

Nghiên cứu tiếp theo của dự án pin thể rắn là trên nền tảng công nghệ mới sáng chế, thiết lập quy trình sản xuất pin xe điện thể rắn mới để thương mại sản phẩm. Cộng đồng các nhà đầu tư công nghệ thực sự phấn kích với thành tích đạt được.

Năm 2019, công ty Ion Storage Systems đã ra mắt với nguồn tài trợ ban đầu là 8 triệu USD. Tháng 6/2022, công ty đạt mục tiêu có được 30 triệu USD từ nguồn tài trợ Series A với sự hỗ trợ của các nhà đầu tư từ công ty đầu tư mạo hiểm Toyota Ventures và những công ty khác.

Lisa Coca, đối tác của Quỹ Khí hậu của Toyota Ventures hào hứng giải thích: “Cấu trúc vật liệu mới này giải quyết những rào cản công nghệ từng gây khó khăn cho pin thể rắn, cho phép áp dụng rộng rãi những chỉ số hiệu suất quan trọng của pin thế hệ tiếp theo như mật độ năng lượng cao, hiệu suất các chu kỳ sạc xả cao, phạm vi nhiệt độ rộng và khả năng sạc nhanh.”

Khoản tài trợ Series A có mục đích giúp Ion Storage Systems xây dựng một nhà máy để sản xuất pin xe điện thể rắn mới với công suất ban đầu là 10 megawatt giờ mỗi năm, mở rộng quy mô đến cấp gigawatt.

Tháng 9/2023, công ty Ion Storage Systems ký một thỏa thuận cung cấp mới với công ty chuyên sâu vật liệu gốm sứ 350 năm tuổi Saint-Gobain Ceramics, sau giai đoạn sản xuất thử nghiệm ở cấp độ thí điểm giữa 2 doanh nghiệp.

Thỏa thuận mới yêu cầu công ty Saint-Gobain Ceramics sản xuất bột gốm, sẽ được Ion áp dụng cho pin lithium-ion trạng thái rắn mới. Ngoài thị trường tiêu dùng dành cho xe điện, Ion Storage Systems còn đặt mục tiêu cung cấp pin và bộ lưu trữ điện khác trong những thiết bị điện tử tiêu dùng, trong lĩnh vực quốc phòng, hàng không vũ trụ và lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện.

Công ty Saint-Gobain đặc biệt quan tâm đến ứng dụng vật liệu gốm mới. Đây không chỉ là cơ hội phát triển hoạt động kinh doanh gốm sứ mà còn là cánh cửa bước vào một lĩnh vực áp dụng vật liệu gốm với tiềm năng vô cùng lớn. Không chờ đợi Ion triển khai vòng tài trợ Series B, Saint-Gobain trong một thông cáo báo chí cho biết, chi nhánh NOVA của Saint-Gobain chính thức đầu tư vào Ion Storage Systems.

Basma Kharrat, Phó chủ tịch phụ trách liên doanh đối ngoại tại Saint-Gobain, cho biết: “Cơ hội hợp tác với Ion Storage Systems sẽ cho phép công ty trực tiếp hỗ trợ sự phát triển tiếp theo lên tầm cao mới của doanh nghiệp này, đồng thời mang lại những hiểu biết và kiến ​​thức chuyên môn sâu sắc về các ứng dụng vật liệu gốm cho pin xe điện, một lĩnh vực kinh doanh tiềm năng mới của công ty chúng tôi”.

Theo Clean Technica