Nguồn năng lượng cho hầu hết các smartphone mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu đến từ công nghệ pin sạc lại Lithium-ion (Li-ion). Đây là công nghệ đã thống trị thị trường thiết bị điện tử di động trong nhiều thập kỷ nhờ những ưu điểm vượt trội so với các thế hệ pin trước đó. Bên cạnh Li-ion, một biến thể quan trọng và cũng rất phổ biến là Lithium-Polymer (Li-Po), thường được xem là một nhánh phát triển từ Li-ion. Cả hai loại pin này đều thuộc nhóm pin sạc lại được, nghĩa là người dùng có thể nạp năng lượng cho chúng nhiều lần.

Sở dĩ công nghệ dựa trên Lithium chiếm ưu thế là vì chúng cung cấp mật độ năng lượng cao, cho phép lưu trữ nhiều năng lượng trong một không gian nhỏ gọn, đồng thời có trọng lượng nhẹ và tuổi thọ tương đối dài. Những đặc tính này cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị di động như smartphone, nơi mà yếu tố mỏng, nhẹ và thời gian sử dụng lâu luôn được ưu tiên.

Nguyên lý hoạt động của pin Li-ion

Về cơ bản, cả pin Li-ion và Li-Po đều hoạt động dựa trên sự di chuyển của các ion Lithium giữa hai điện cực. Cấu tạo của chúng bao gồm các thành phần chính:

• Điện cực âm (Anode): Thường được làm từ vật liệu carbon, phổ biến nhất là graphite. Đây là nơi các ion Lithium "neo đậu" khi pin được sạc đầy.
• Điện cực dương (Cathode): Thường là các oxit kim loại chứa Lithium, ví dụ như Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), hoặc Lithium Iron Phosphate (LiFePO4). Đây là nơi chứa các ion Lithium khi pin đã xả.
• Chất điện phân (Electrolyte): Là môi trường (lỏng, gel hoặc rắn) cho phép các ion Lithium di chuyển qua lại giữa anode và cathode. Đây chính là điểm khác biệt cơ bản giữa pin Li-ion và Li-Po.
• Màng ngăn (Separator): Một lớp màng xốp, cách điện, nằm giữa anode và cathode, chỉ cho phép ion Lithium đi qua nhưng ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai điện cực, tránh đoản mạch.

Khi sạc pin, nguồn điện bên ngoài cung cấp năng lượng, "đẩy" các ion Lithium (Li+) từ điện cực dương (cathode), di chuyển qua chất điện phân, xuyên qua màng ngăn và "gắn" vào cấu trúc của điện cực âm (anode). Năng lượng điện được chuyển hóa thành năng lượng hóa học và lưu trữ tại anode.

Ngược lại, khi xả pin, các ion Lithium ở anode tách ra, di chuyển trở lại qua chất điện phân về phía cathode. Sự di chuyển của các ion này tạo ra dòng electron trong mạch ngoài, cung cấp năng lượng điện cho điện thoại hoạt động. Năng lượng hóa học được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện.

Điểm khác biệt cơ bản giữa Li-ion và Li-Po

Điểm khác biệt cốt lõi giữa Li-ion và Li-Po nằm ở trạng thái vật lý của chất điện phân. Pin Li-ion truyền thống sử dụng chất điện phân dạng lỏng (thường là dung môi hữu cơ chứa muối Lithium). Trong khi đó, pin Li-Po sử dụng chất điện phân dạng polymer rắn hoặc dạng gel (tương tự như một miếng phim nhựa dẻo hoặc gel). Sự khác biệt này dẫn đến những đặc tính riêng biệt về hình dáng, độ an toàn và hiệu suất của từng loại pin.

Ngoài ra, việc lựa chọn Li-ion hay Li-Po phụ thuộc vào từng nhà sản xuất và một số yếu tố khác như mật độ năng lượng, chi phí, mức độ an toàn, tuổi thọ hay các yếu tố về thiết kế của thiết bị.

Riêng về khả năng linh hoạt thì Li-Po cao hơn so với Li-ion vì pin Li-Po có thể được sán xuất với nhiều kiểu dáng khác nhau, cho phép các nhà thiết kế tạo ra những chiếc smartphone mỏng hơn, nhẹ hơn và có kiểu dáng đa dạng hơn.

Cả Li-ion và Li-Po đều có tuổi thọ khá tốt, thường duy trì được phần lớn dung lượng ban đầu sau khoảng 500-1000 chu kỳ sạc/xả đầy.

Các công nghệ pin mới được phát triển hoặc nghiên cứu có khả năng thương mại hóa cao

Li-ion và Li-Po đã tồn tại hàng thập kỷ và nó đang là công nghệ pin phổ biến nhất, nhưng nó cũng đang chạm đến giới hạn vật lý khi không thể làm viên pin to hơn hay sạc nhanh hơn mà không ảnh hưởng đến thiết kế công nghiệp của các thiết bị. Vì thế, các công nghệ pin đã được nghiên cứu và phát triển, thậm chí 1 số công nghệ đã được thương mại hóa và áp dụng.

Pin thể rắn (Solid-State Battery)

Sự khác biệt chủ yếu giữa pin thể rắn và pin Li-ion/Li-Po hiện tại đó là chất điện phân ở trạng thái rắn, thường được làm từ các vật liệu như gốm, composite hoặc polymer thay vì dạng lỏng hoặc gel mềm dẻo như Li-ion/Li-Po hiện tại.

Ưu điểm lớn nhất của pin thể rắn đó là mật độ năng lượng của nó cao hơn nhiều so với pin Li-ion/Li-Po. Theo trang Eureka thì pin thể rắn có thể đạt mật độ năng lượng lên đến 500 Wh/kg, gần gấp đôi so với Li-ion hiện tại (~350 Wh/kg).

Pin thể rắn cũng được cho là an toàn hơn vì đã loại bỏ chất điện phân lỏng dễ cháy giúp giảm thiểu tối đa nguy cơ rò rỉ, quá nhiệt và cháy nổ, vốn là mối lo ngại cố hữu của pin Li-ion. Ngoài ra, pin thể rắn cũng có thể hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng hơn, từ rất lạnh (-30 độ C) đến rất nóng (trên 100 độ C).

Độ bền của pin thể rắn được tăng cao hơn so với Li-ion vì nó được cho là giúp giảm sự hình thành các nhánh dendrite (gai Lithium) và các phản ứng phụ khác, giúp pin bền hơn và chịu được nhiều chu kỳ sạc xả hơn so với Li-ion.

Một nhà sản xuất gần đây nhất công bố các nghiên cứu về pin thể rắn có thể kể đến như Xiaomi, HUAWEI và đặc biệt là Toyota, hãng xe hơi của Nhật trình diễn công nghệ pin thể rắn chỉ vói 10 phút sạc có thể di chuyển được 1200km.

Tuy vậy, pin thể rắn cũng đối diện với các thách thức như chi phí sản xuất rất tốn kém, gặp khó về chuỗi cung ứng khi sản xuất số lượng lớn. Việc chế tạo các lớp vật liệu rắn siêu mỏng, đảm bảo tiếp xúc tốt giữa các lớp và sản xuất hàng loạt với chất lượng ổn định là một thách thức lớn về kỹ thuật và công nghệ.

Pin graphene thế hệ mới

Ngoài việc ứng dụng graphene để làm cực âm cho công nghệ pin Li-ion, graphene còn được nghiên cứu và áp dụng để làm siêu tụ điện (supercapacitor), nó có ưu điểm là tuổi thọ gần như bất tận và khả năng sạc đầy chỉ trong vài giây. Siêu tụ graphene cũng có thể đạt được dung lượng cao hơn những tự điện thường, giúp cho các thiết bị trong tương lai có thể sạc pin siêu nhanh.

Dù vậy, hiện tại siêu tụ graphene vẫn chưa sánh được mật độ năng lượng của pin Li-ion, nên mới dùng cho một số ứng dụng nhỏ hoặc tích hợp hỗ trợ pin chính.

Công nghệ khác được phát triển dựa trên graphene là pin aluminium-ion, đây là sự kết hợp giữa siêu tụ và phản ứng hóa học. Nghiên cứu từ Đại học Queensland và công ty GMG (Úc) cho thấy pin graphene nhôm-ion có hiệu suất đáng kinh ngạc: mật độ năng lượng đạt ~150-160 Wh/kg và mật độ công suất cực cao tới 7000 W/kg, cho phép sạc đầy cell điện thoại trong 1-5 phút.

Bên cạnh đó, những thử nghiệm độ bền cho thấy sau khoảng 2000 chu kỳ sạc xả thì pin gần như không bị suy giảm dung lượng.

https://s3.cloud.cmctelecom.vn/tinhte1/2017/12/4187897_Samsung_cau_graphene.jpg

Samsung hồi năm 2017 đã nghiên cứu phát triển "graphene ball" giúp sạc nhanh hơn 5 lần và thêm 45% dung lượng pin (so với thời điểm năm 2017).

Pin silicon-anode

Thuật ngữ “pin silicon” thường dùng để chỉ pin lithium-ion sử dụng điện cực âm (anode) làm bằng silicon hoặc chứa silicon thay vì anode carbon graphite truyền thống, hay chúng ta còn được biết đến với cái tên quen thuộc là silicon-carbon. Lý do là vì Silicon có khả năng lưu trữ ion Lithium về mặt lý thuyết cao hơn gấp 10 lần so với graphite.

Ưu điểm của pin silicon-anode hay silicon-carbon đã quá rõ ràng, nhưng nhược điểm của nó cũng lớn như ưu điểm vậy, đó là khả năng giãn nở. Khi các ion Lithium đi vào cấu trúc Silicon trong quá trình sạc, thể tích của Silicon có thể tăng lên đến 300%. Sự giãn nở và co lại này qua mỗi chu kỳ sạc/xả gây ra áp lực cơ học cực lớn, làm nứt vỡ cấu trúc vật liệu anode, mất tiếp xúc điện và làm giảm nhanh chóng dung lượng cũng như tuổi thọ của pin.

Nhược điểm thứ hai là độ dẫn điện của Silicon kém, đó cũng chính là lí do vì sao nó đòi hỏi phải kết hợp thêm với một số vật liệu dẫn điện khác hoặc có những giải pháp khác để đảm bảo khả năng dẫn điện và hạn chế giãn nở như giải pháp nano (dùng hạt nano silicon), hoặc hợp chất silicon oxide trộn với graphite.

Hiện tại đa phần các cell pin chỉ mới trộn khoảng 5-10% silicon vào anode chứ chưa dám sử dụng 100% anode thuần.

Một số công nghệ pin vẫn đang được nghiên cứu và phát triển

Ngoài ba công nghệ nổi bật trên, còn nhiều hướng nghiên cứu pin khác cũng đang được khám phá, mặc dù có thể còn xa hơn hoặc phù hợp hơn cho các ứng dụng khác ngoài smartphone, laptop:

• Pin Lithium-Sulfur (Li-S): Sử dụng lưu huỳnh (S) làm vật liệu cathode. Ưu điểm là mật độ năng lượng lý thuyết rất cao (cao hơn cả pin thể rắn) và lưu huỳnh cũng rẻ, dồi dào. Tuy nhiên, pin Li-S gặp vấn đề lớn về độ bền (tuổi thọ chu kỳ ngắn) và tính ổn định.
• Pin Natri-ion: Hoạt động tương tự Li-ion nhưng sử dụng ion Natri (Sodium) thay vì Lithium. Natri rẻ và có trữ lượng lớn hơn nhiều so với Lithium. Nhược điểm chính là mật độ năng lượng thấp hơn Li-ion và kích thước ion Natri lớn hơn gây khó khăn cho việc tìm vật liệu điện cực phù hợp.
• Pin Natri-Sulfur:
• Pin Aluminum-Sulfur: 

Trong tương lai có thể có nhiều công nghệ pin cùng tồn tại

Đó là thực tế mà nhiều khả năng sẽ xảy ra trong thời gian tới. Ví dụ, pin thể rắn có thể phù hợp cho xe điện và các thiết bị y tế đòi hỏi độ an toàn và mật độ năng lượng cực cao. Pin Silicon-Anode có thể trở thành tiêu chuẩn mới cho smartphone và laptop cần dung lượng lớn mà thời gian dùng thì lâu. Hay pin Graphene có thể được dùng trong các thiết bị chuyên dụng cần sạc siêu nhanh và pin Natri-ion có thể là giải pháp cho lưu trữ năng lượng quy mô lớn hoặc các thiết bị giá rẻ.

Dù vậy, chuỗi cung ứng, khả năng mở rộng ở quy mô lớn hay chi phí vẫn là rào cản đối với hầu hết các nhà sản xuất và đặc biệt hơn là sự an toàn, tính hữu dụng có bằng Li-ion đã được chứng minh qua hàng thập kỷ hay không.