Lý tưởng tỏa sáng thành hiện thực: Pin toàn bang rắn sẽ được sản xuất hàng loạt

Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu, các công nghệ năng lượng mới đang phát triển nhanh chóng. Pin toàn trạng thái rắn, như một công nghệ pin thế hệ tiếp theo rất hứa hẹn, đang dần trở thành trọng tâm của ngành công nghiệp. Gần đây, các nhà sản xuất ô tô như Changan Ô tô và BYD đã công bố lịch trình lắp đặt pin toàn trạng thái rắn, cho thấy quá trình thương mại hóa của pin trạng thái rắn đang tăng tốc.

Pin toàn trạng thái rắn đề cập đến pin lithium-ion sử dụng chất điện giải trạng thái rắn. Về các nguyên tắc làm việc, chúng không khác với pin lithium truyền thống, nhưng các chất điện giải trạng thái rắn, cốt lõi của chúng, mang lại cho chúng nhiều lợi thế so với pin lithium lỏng truyền thống.

Về hiệu suất an toàn, chất điện phân của pin lithium lỏng truyền thống là dễ cháy và dễ bay hơi, đây là một nguyên nhân quan trọng của các vụ cháy xe điện và thậm chí là vụ nổ. Các chất điện phân rắn được sử dụng trong pin trạng thái rắn không dễ cháy, điều này làm giảm đáng kể nguy cơ đốt và nổ pin, và cải thiện đáng kể sự an toàn. Ví dụ, một số pin trạng thái rắn có thể chịu được nhiệt độ cao là 1, 000 độ và có thể tiếp tục cung cấp năng lượng ngay cả khi một góc bị cắt.

Về mật độ năng lượng, pin trạng thái rắn có lợi thế rõ ràng. Mật độ năng lượng của pin lithium truyền thống đã dần dần tiếp cận một nút cổ chai. Mật độ năng lượng của pin phosphate sắt lithium là 150-210 wh/kg, và giới hạn trên của pin lithium ternary là khoảng 350Wh/kg. Mật độ năng lượng của pin toàn trạng thái rắn dự kiến ​​sẽ đạt hơn 500Wh/kg. Ví dụ, mật độ năng lượng của pin Jinzhongzhao All-Solid State được phát triển bởi Changan Ô tô có thể đạt 400Wh/kg, và phạm vi bay vượt quá 1.500 km khi được sạc đầy, làm giảm đáng kể sự lo lắng của phạm vi. Đồng thời, các chất điện giải rắn có thể chịu được điện áp cao hơn và khối lượng pin có thể được giảm thêm, giúp cải thiện đáng kể tốc độ sạc và dự kiến ​​sẽ đạt được phạm vi bay 1, 000 km sau khi sạc trong 10 phút.

Về độ ổn định chu kỳ và hiệu suất nhiệt độ cao và thấp, pin toàn trạng thái rắn cũng hoạt động tốt. Tuổi thọ của nó có thể đạt hơn 10, 000, cao hơn nhiều so với pin lithium ternary và pin lithium sắt phosphate, và nó có thể duy trì hiệu suất tốt trong môi trường nhiệt độ cao và thấp, giải quyết hiệu quả vấn đề sạc chậm và mất năng lượng nhanh của pin lithium truyền thống trong mùa đông.

Hiện tại, có ba tuyến kỹ thuật chính cho pin trạng thái rắn: polyme, oxit và sunfua.

Các chất điện phân polymer thuộc loại chất điện phân hữu cơ. Chúng linh hoạt, có tính chất cơ học tốt, dễ xử lý và hình thức, rất tương thích với các quy trình sản xuất chất điện phân lỏng hiện có, dễ dàng chuẩn bị màng mỏng trên quy mô lớn và đạt được sản xuất hàng loạt quy mô nhỏ. Tuy nhiên, độ dẫn của chúng thấp ở nhiệt độ phòng, thường là từ 10⁻⁷ đến 10⁻⁴S/cm, và chúng cần được làm nóng đến mức trên 60 độ để hoạt động đúng. Họ có một cửa sổ điện hóa hẹp và sự ổn định nhiệt tương đối kém.

Các chất điện giải oxit ổn định trong không khí, có độ ổn định nhiệt tuyệt vời, có thể chịu được nhiệt độ cao trên 600 độ, có cường độ cơ học cao, có thể ức chế hiệu quả sự phát triển của đuôi gai lithium và phù hợp với các vật liệu điện cực dương điện áp cao như vật liệu ternary cao. Chi phí R & D và độ khó tương đối thấp. Tuy nhiên, nó cũng có vấn đề về độ dẫn ion thấp. Độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng thường nằm trong khoảng từ 10⁻⁶ đến 10⁻/cm, cần được cải thiện bằng cách thiêu kết nhiệt độ cao hoặc thêm chất điện phân lỏng và trở kháng giao diện với điện cực cao, dẫn đến tuổi thọ chu kỳ ngắn.

Các chất điện giải sunfua có hiệu suất tuyệt vời và độ dẫn ion cao nhất. Độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng có thể đạt 10⁻²/cm, gần với mức độ điện phân lỏng. Chúng hỗ trợ sạc và xả nhanh, và mật độ năng lượng lý thuyết vượt quá 500Wh/kg. Chúng tương thích với các điện cực âm kim loại lithium, có độ ổn định nhiệt tốt, có kết cấu mềm và có độ dẻo mạnh. Tuy nhiên, chúng có độ ổn định hóa học kém và dễ phản ứng với độ ẩm và oxy trong không khí để tạo ra khí hydro sunfua độc hại. Chúng rất khó để chuẩn bị và có chi phí sản xuất cao.

Trên toàn cầu, nhiều công ty đã đầu tư vào nghiên cứu và phát triển và sản xuất pin toàn bang và tăng tốc bố cục của họ. Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản bắt đầu sớm trong việc nghiên cứu và phát triển pin trạng thái rắn.
Toyota Motors bắt đầu nghiên cứu và phát triển pin trạng thái rắn vào đầu năm 2006, và gần đây đã thông báo rằng họ sẽ bắt đầu sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ vào năm 2026 và sản xuất hàng loạt sau năm 2030;
Honda Motors thông báo rằng họ sẽ bắt đầu sản xuất thử nghiệm pin toàn bang cho xe điện thuần túy vào tháng 1 năm 2025; Nissan có kế hoạch bắt đầu sản xuất thử nghiệm pin trạng thái rắn tại nhà máy Yokohama năm nay và ra mắt xe điện được trang bị pin toàn bang rắn vào năm 2028.

Các công ty Trung Quốc cũng không muốn tụt lại phía sau. CATL đã xây dựng một dây chuyền sản xuất thí điểm cho pin toàn bang rắn và hiện đang tiến hành tối ưu hóa quy trình và xác minh sản phẩm. Dự kiến ​​sẽ sản xuất hàng loạt pin toàn bang rắn ở quy mô nhỏ vào năm 2027.

BYD đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển pin toàn bang rắn vào năm 2013 và đã bắt đầu xác minh tính khả thi của công nghiệp pin trạng thái rắn, bao gồm các đột phá công nghệ vật liệu chính, phát triển hệ thống pin và xây dựng dây chuyền sản xuất. Dự kiến ​​sẽ bắt đầu trình diễn hàng loạt và lắp đặt pin toàn bang rắn vào năm 2027 và đạt được thương mại hóa quy mô lớn sau năm 2030.

Changan Ô tô có kế hoạch ra mắt 8 pin pin tự phát triển, bao gồm chất lỏng, bán rắn và rắn, vào năm 2030, để khởi động các nguyên mẫu chức năng vào năm 2025 và dần dần sản xuất pin toàn bộ trạng thái rắn vào năm 2027.

GAC Aion đã thông báo rằng họ sẽ đạt được sản xuất hàng loạt và lắp đặt pin trạng thái rắn vào năm 2026, và trước tiên sẽ được lắp đặt trong thương hiệu cao cấp Haobo;

Chery Ô tô có kế hoạch đạt được lắp đặt pin trạng thái rắn vào năm 2026 và sản xuất khối lượng quy mô lớn vào năm 2027;

Tập đoàn SAIC thông báo rằng pin toàn bang rắn sẽ được sản xuất hàng loạt và được giao vào năm 2026, và những chiếc xe mới của Zhiji được trang bị pin toàn bang sẽ được sản xuất hàng loạt và được giao vào năm 2027.

Từ quan điểm tổng thể của ngành, chuỗi ngành công nghiệp pin trạng thái rắn tương tự như pin lỏng, bao gồm nguồn cung cấp nguyên liệu thô, vật liệu pin giữa dòng và sản xuất, và các khu vực ứng dụng xuôi dòng. Mặt thượng nguồn chủ yếu cung cấp các tài nguyên kim loại như lithium, coban và niken, cũng như các vật liệu cốt lõi cho các chất điện giải trạng thái rắn. Nó có sự phụ thuộc tài nguyên mạnh mẽ, rào cản kỹ thuật cao và sự tập trung thị trường cao. Midstream là liên kết cốt lõi của nghiên cứu và phát triển và sản xuất pin. Đổi mới công nghệ là động lực chính, nhưng nó phải đối mặt với các vấn đề về các quy trình phức tạp và áp lực chi phí cao. Các trường ứng dụng hạ nguồn rộng, bao gồm các phương tiện năng lượng mới, lưu trữ năng lượng, điện tử tiêu dùng và các lĩnh vực khác, với sự hỗ trợ chính sách mạnh mẽ và tiềm năng thị trường khổng lồ.

Mặc dù pin toàn bang rắn có triển vọng rộng rãi, nhưng chúng vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức trên con đường sản xuất hàng loạt thương mại.

Ở cấp độ kỹ thuật, mặc dù một số tiến bộ đã được thực hiện trong các chất điện phân rắn, vật liệu điện cực dương và âm, v.v., vẫn còn một số vấn đề khoa học cơ bản và các vấn đề kỹ thuật kỹ thuật cần được giải quyết khẩn cấp. Ví dụ, làm thế nào để cải thiện hơn nữa độ dẫn ion của các chất điện giải rắn, cải thiện khả năng tương thích của chúng với các vật liệu điện cực năng lượng cụ thể và năng lượng đặc biệt cao, và xây dựng giao diện rắn chắc chắn và ổn định. Các tuyến kỹ thuật khác nhau cũng có những thiếu sót riêng của chúng, chẳng hạn như sự ổn định hóa học kém và khó khăn trong việc chuẩn bị các chất điện giải sunfua và độ dẫn ion thấp của chất điện phân oxit. Những vấn đề này đòi hỏi đầu tư R & D liên tục để khắc phục.

Chi phí cũng là một yếu tố quan trọng hạn chế ứng dụng quy mô lớn của pin trạng thái rắn. Hiện tại, chi phí của các monome pin lithium-ion lỏng là khoảng 0. 5 nhân dân tệ mỗi giờ, trong khi chi phí vật liệu của pin trạng thái rắn hơn 2 nhân dân tệ mỗi giờ mà không cần sản xuất khối lượng lớn. Chi phí vật liệu của một bộ pin 100- Kilowatt-giờ vượt quá 200, 000 Yuan, cao hơn nhiều so với pin lỏng hiện có. Lấy pin trạng thái rắn sulfide làm ví dụ, indium kim loại hiếm cần thiết để sản xuất của nó rất tốn kém, và việc điều chế tiền chất lithium sulfide là khó khăn và tốn kém, dẫn đến chi phí tổng thể của pin cao.

Ở cấp thị trường, pin trạng thái rắn, như các sản phẩm mới, cần một khoảng thời gian nhất định để có được sự công nhận và chấp nhận thị trường. Mặc dù chúng có lợi thế về mật độ năng lượng và an toàn, nhưng vẫn có chỗ để cải thiện so với pin lithium truyền thống về tuổi thọ chu kỳ. Ngoài ra, mặc dù một số công ty đã đạt được giao hàng mẫu nhỏ, nhưng họ chưa thành lập các đơn đặt hàng ổn định và không có sự không chắc chắn trong triển vọng ứng dụng thực tế.

Nhìn về tương lai, pin toàn quốc được dự kiến ​​sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực xe năng lượng mới, nó sẽ cải thiện đáng kể phạm vi bay, tốc độ an toàn và sạc của xe, thúc đẩy ngành công nghiệp phương tiện năng lượng mới lên mức cao hơn và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi điện khí hóa của ngành công nghiệp ô tô.

Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, mật độ năng lượng cao và các đặc tính tuổi thọ dài của pin trạng thái rắn cho phép họ lưu trữ điện hiệu quả hơn, cân bằng cung cấp điện và cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho việc tiếp cận quy mô lớn và hoạt động ổn định của năng lượng tái tạo.

Trong lĩnh vực thiết bị điện tử tiêu dùng, pin toàn trạng thái rắn có thể làm cho các thiết bị mỏng hơn và bền hơn, và cải thiện trải nghiệm người dùng.

Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ và sự phát triển của ngành công nghiệp, hiệu suất của pin toàn bang rắn sẽ tiếp tục được cải thiện và chi phí dự kiến ​​sẽ giảm dần. Đầu tư liên tục và R & D của nhiều công ty, cũng như thúc đẩy đổi mới hợp tác giữa ngành công nghiệp, học viện và nghiên cứu, sẽ đẩy nhanh bước đột phá công nghệ và thương mại hóa pin toàn bang. Ở cấp độ chính sách, chính phủ của các quốc gia khác nhau không ngừng hỗ trợ cho các công nghệ năng lượng mới, điều này cũng sẽ tạo ra một môi trường chính sách tốt để phát triển ngành công nghiệp pin toàn bang.

Là chiều cao chỉ huy chính của cuộc thi đối với công nghệ pin thế hệ tiếp theo, pin toàn bang rắn phải đối mặt với nhiều thách thức như công nghệ, chi phí và thị trường, nhưng chúng có một tương lai tươi sáng. Trong làn sóng chuyển đổi năng lượng toàn cầu và tiến bộ công nghệ, pin toàn trạng thái rắn được dự kiến ​​sẽ trở thành lực lượng cốt lõi để thúc đẩy chuyển đổi lưu trữ năng lượng và mở ra một kỷ nguyên lưu trữ năng lượng mới.