PIN THỂ RẮN - “MẢNH GHÉP” QUYẾT ĐỊNH THẾ HỆ XE ĐIỆN KẾ TIẾP

1. Bức tranh hiện tại của công nghệ pin

Trong gần một thập kỷ, pin lithium-ion (Li-ion) đã trở thành “trái tim” của xe điện (EV). Tuy nhiên, những thách thức về mật độ năng lượng, thời gian sạc và an toàn nhiệt khiến ngành công nghiệp phải tìm lời giải mới. Lời giải đang được kỳ vọng là pin thể rắn (Solid-State Battery – SSB), nơi chất điện phân lỏng dễ cháy được thay thế bằng vật liệu rắn, an toàn hơn và cho phép điện cực kim loại lithium tinh khiết hoạt động hiệu quả

Bảng 1. So sánh các thông số chính giữa pin Li-ion truyền thống và pin thể rắn (SSB)

Hình 1: Mối quan hệ nghịch giữa State of Charge (SOC) và Depth of Discharge (DOD).

Nguồn: https://batteriesonline.co.za/depth-of-discharge-dod/

2. Cấu trúc pin thể rắn – điều gì làm nên khác biệt?

2.1. Điện cực âm (Anode)

• Li-ion: Graphite (C₆) → hạn chế mật độ năng lượng.
• SSB: Lithium kim loại (Li) nhờ chất điện phân rắn ngăn dendrite, tăng gấp ~10 lần dung lượng riêng ở cực âm.

2.2. Chất điện phân rắn

• Sulfide thủy tinh (Li₁₀GeP₂S₁₂): độ dẫn ion >10⁻² S cm⁻¹, tương đương chất lỏng, dễ ép nóng tạo màng mỏng nhưng nhạy ẩm.
• Oxide gốm (LLZO, LATP): ổn định hóa học tốt, chịu nhiệt cao, song giòn, khó chế tạo tấm lớn.
• Polyme dẫn ion (PEO-LiTFSI): dễ gia công, đàn hồi, nhưng kém dẫn ion ở nhiệt độ phòng.

2.3. Điện cực dương (Cathode)

• Vẫn sử dụng NMC811, LFP … nhưng được phủ lớp lót (coating) để tương thích hóa học với chất điện phân rắn.

Sự kết hợp thông minh giữa ba lớp trên tạo ra cấu trúc “sandwich”, cho phép rút ngắn đường khuếch tán ion, giảm điện trở trong và chịu nhiệt tốt hơn.

Hình 2: Cấu trúc pin thể rắn - nguồn internet

3. Lợi thế & thách thức chế tạo

Lợi thế chính:

• Phạm vi di chuyển xa hơn – Mật độ năng lượng cao giúp xe cỡ sedan vượt >800 km trong một lần sạc.
• Sạc siêu nhanh – Dòng sạc cao mà không sinh nhiệt lớn.
• An toàn va chạm & nhiệt – Không tồn tại chất điện phân dễ cháy, giảm nguy cơ “thermal runaway”.
• Tuổi thọ cao – Điện cực Li kim loại + chất điện phân rắn hạn chế phân hủy.

Thách thức thực tế:

Bảng 2 Thách thức chế tạo pin

Theo Bloomberg NEF, giá pin SSB đạt ~120 USD/kWh vào 2028, tiệm cận giá pin Li-ion cao cấp hiện nay (≈130 USD/kWh).

4. Cuộc đua thương mại hóa – ai đang dẫn đầu?

Bảng 3. Kế hoạch thương mại hóa và thông số mẫu thử pin thể rắn của một số hãng/viện nghiên cứu

Việt Nam cũng không đứng ngoài cuộc: VinES công bố hợp tác tiền nghiên cứu SSB với các trung tâm R&D tại Hàn Quốc, định hướng xây dựng phòng thí nghiệm pilot vào 2025.

5. Vai trò của khối đào tạo – Khoa Công nghệ Kỹ thuật Ô tô

Hình 3: Mô phỏng số cấu trúc bộ pin (solid-state battery) và cụm truyền động trên nền tảng xe điện - Nguồn internet

5.1. Cập nhật giáo trình:

• Bổ sung học phần “Vật liệu pin tiên tiến”, “An toàn hệ thống lưu trữ năng lượng”.
• Thực hành mô phỏng CFD chuyển nhiệt cell SSB trên ANSYS Fluent.

5.2. Phòng lab liên ngành:

• Phối hợp Khoa Hóa học tạo nhóm nghiên cứu tổng hợp chất điện phân oxide ổn định pha khối LLZO bằng phương pháp sol-gel.
• Xây dựng buồng thử nghiệm chu kỳ sạc-xả 0 – 5 C, nhiệt độ 15 – 60 °C.

5.3. Liên kết doanh nghiệp:

• Sinh viên thực tập tại VinES, Toshiba ESS VN; tham gia dự án tối ưu BMS (Battery Management System) cho cell thể rắn.
• Đồng phát triển tiêu chuẩn an toàn phòng cháy pin SSB với Cục ĐKVN.

6. Kết luận

Hình 3 Hình ảnh minh họa pin thể rắn

Pin thể rắn được ví như “chìa khóa” mở ra kỷ nguyên EV 2.0 – nơi phạm vi di chuyển gấp đôi, sạc nhanh như tiếp nhiên liệu, an toàn vượt trội. Dù còn không ít rào cản về giao diện vật liệu và chi phí, lộ trình thương mại hóa đang rút ngắn đáng kể nhờ đầu tư R&D mạnh mẽ.

Đối với sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, đây là thời điểm vàng để trang bị kiến thức liên ngành (hóa – vật liệu – điều khiển công nghiệp) nhằm đón đầu xu thế. Từ đó, nguồn nhân lực chất lượng cao sẽ góp phần khẳng định vị thế Việt Nam trong chuỗi giá trị pin toàn cầu và thúc đẩy hệ sinh thái xe điện bền vững.

Tác giả: ThS. Phạm An Bình