Cực dương silicon có thể tăng 28% thời lượng pin xe điện

Gần đây, thời lượng pin của xe điện gia tăng đáng kể chính là nhờ những cải tiến mới mang lại sự đột phá cho dòng pin lithium-ion.

Trước yêu cầu đặt ra về thời lượng pin, công ty khởi nghiệp NanoGraf có trụ sở tại Chicago đã tạo ra công nghệ pin với mật độ năng lượng cao. Hơn thế, nó còn giúp kéo dài thời gian vận hành của xe điện lên hơn 28% so với pin truyền thống.

CEO của NanoGraf Francis Wang đã gọi loại pin cực dương silicon của họ là “tế bào pin hình trụ 18650 có mật độ năng lượng cao nhất thế giới”. Nó có thể tạo ra mức năng lượng 800 Wh/L và hứa hẹn sẽ mang lại tuổi thọ cao trong khi chi phí lại giảm.

Công nghệ của NanoGraf vốn được phát triển tại Đại học Northwestern, Mỹ vào năm 2012 và đã bắt đầu được thương mại hóa. Tuy không phải là người sáng lập, ông Wang đã tham gia hội đồng quản trị vào năm 2015 và đã là CEO của công ty trong ba năm qua. Công ty hiện có 32 nhân viên và đã huy động được 23 triệu USD kể từ khi thành lập, phần lớn là từ quân đội.

Công ty startup đang nhận được những ưu ái lớn từ các dịch vụ của quân đội. Lý do là bởi vì theo NanoGraf, công nghệ mới giúp họ cải thiện thời gian hoạt động cho thiết bị di động của binh lính, đồng thời giảm 15% trọng lượng của bộ pin 9 kg (mang theo sau áo giáp).

Ông Wang chia sẻ: “Là một công ty nhỏ, chúng tôi sẽ bắt đầu phát triển sản phẩm cho một thị trường nhất định. Phục vụ nhu cầu cho quân đội sẽ là một khởi đầu tuyệt vời đối với chúng tôi.”

Theo báo cáo của IEEE Spectrum – tạp chí của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử, về lý thuyết, các cực dương làm từ silicon có thể lưu trữ lượng lithium gấp 10 lần so với than chì truyền thống (3,000 mAh/1 g silicon so với 300 mAh/1 g than chì). Vậy tại sao hiện nay, chúng ta chưa sử dụng silicon thay thế hoàn toàn cho than chì?

Điều này thực ra không hề dễ dàng. Trước đây, các nhà sản xuất pin từng thêm một lượng nhỏ bột silicon vào than chì. Kết quả là silicon nở ra đáng kể trong các trường hợp sạc thử nghiệm.

Sam Abuelsamid – nhà phân tích chính về di động điện tử tại Guidehouse Insights cho biết: “Cực dương bằng silicon không phải là điều mới mẻ. Tôi vẫn chưa xem xét cụ thể về trường hợp của NanoGraf, nhưng thách thức lớn với cực dương silicon là độ phồng của nó. Hầu hết các công ty sản xuất pin đều giới hạn cực dương ở mức hỗn hợp khoảng 10% silicon và phần còn lại là than chì để tăng dung lượng pin, đồng thời hạn chế hiện tượng cực dương bị phồng lên.”

“Khi cực dương bị phồng, bạn phải tạo ra nhiều không gian hơn cho pin để tránh hiện tượng cực dương chèn ép các tế bào pin. Điều đó sẽ làm mất đi mật độ năng lượng của các tế bào pin riêng lẻ. Nếu NanoGraf tìm ra cách để tăng mật độ nhưng pin không phồng quá nhiều thì đó sẽ là một thành công lớn.”

Ông Wang nhận định: “Đó là một thách thức mang tính lịch sử, bởi silicon không ổn định như than chì và nó có sự suy thoái vòng đời theo chu kỳ. Tuy nhiên, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã giải quyết được vấn đề này. Chúng tôi đang chứng minh điều đó trong các tế bào và bộ pin thực tế.”

Trong một thông cáo của công ty, tiến sĩ Kurt Breitenkamp – chủ tịch NanoGraf cho biết: “Đây là một bước đột phá cho ngành công nghiệp pin. Trong một thập kỷ qua, mật độ năng lượng pin vẫn đang cố định và chỉ tăng lên khoảng 8%. Chúng tôi vừa đạt được mức tăng 10% trong vòng chưa đầy một năm. Đó là giá trị của hơn một thập kỷ đổi mới công nghệ.”

NanoGraf hiện đang sản xuất 10 tấn vật liệu cực dương silicon hàng năm tại Nhật Bản. Hơn nữa, họ đang có kế hoạch mở một nhà máy ở phía Tây Chicago vào năm 2022 để sản xuất 35 tấn mỗi năm. Công ty không có kế hoạch trở thành nhà sản xuất pin mà chỉ sản xuất silicon như là một giải pháp hỗ trợ cho các công ty sản xuất pin hiện tại.

NanoGraf hiện cũng có một đối tác sản xuất pin chưa rõ danh tính. Ông Wang nói: “Đó không phải là LG Chem hay Panasonic, mà là một trong những nhà sản xuất lithium-ion lâu đời nhất, với lịch sử từ những năm 1980.“

Ông Wang cho biết trước mắt công nghệ này sẽ có mặt trên các thiết bị điện tử quân sự cầm tay sớm nhất là vào năm sau.

CEO NanoGraf luôn quan tâm đến thị trường xe điện khổng lồ, nhưng ông thừa nhận rằng hiện tại các giải pháp với silicon cho pin xe điện đang có chi phí cao hơn so với graphite đang bán trên thị trường. Ông Wang cho biết: “Chi phí sản xuất silicon của chúng tôi đang ngang bằng với chi phí sản xuất 1,000 tấn than chì mỗi năm.“

Nói về trở ngại lớn của chi phí, ông Wang cho biết: “Đối với vận tải, khách hàng mục tiêu ban đầu của chúng tôi có thể là những nhà sản xuất các sản phẩm cao cấp, những công ty quan tâm đến hiệu suất hơn là chi phí. Chi phí chắc chắn là một yếu tố đáng để lưu tâm, nhưng chúng tôi muốn hiện thực hóa tầm nhìn của mình.“