Silicon-carbon - làn gió mới cho pin điện thoại

Smartphone liên tục được nâng cấp về cấu hình, camera, tốc độ sạc nhanh hay AI tạo sinh. Tuy nhiên, công nghệ pin không có nhiều bước tiến mới, do đó sự xuất hiện của công nghệ silicon-carbon trên điện thoại gần đây được đánh giá mang lại sự mới mẻ cho thị trường.

Honor Magic 5, ra mắt năm 2023, là smartphone đầu tiên dùng pin silicon-carbon. Từ cuối năm ngoái, hàng loạt công ty, chủ yếu từ Trung Quốc, trang bị giải pháp này lên sản phẩm của mình, như OnePlus 13 (6.000 mAh), Vivo iQOO 13 (6.150 mAh), Vivo X200 Pro (6.000 mAh), Realme GT 7 Pro (6.500 mAh), Redmi K80 (6.550 mAh) hay Xiaomi 15 Pro (6.100 mAh). Trong khi đó, Samsung và Apple chưa tham gia.

Theo Android Authority, silicon-carbon có thể là xu hướng mới trên smartphone năm nay khi hàng loạt hãng smartphone chạy đua tích hợp vào sản phẩm.

Hơn 20 năm phát triển

Theo IOP Science, nghiên cứu đầu tiên về pin silicon-carbon xuất hiện năm 2002, khi một nhóm nhà khoa học Nhật Bản công bố báo cáo khoa học "Phủ cacbon silicon làm vật liệu cực dương cho pin lithium-ion". Tuy nhiên, đến 2014, công ty Mỹ Amprius mới thử nghiệm sản xuất pin này, kết hợp các sợi nano silicon và graphite để tạo khả năng lưu trữ năng lượng tốt hơn nhưng không làm tăng kích thước viên pin.

Một năm sau, CEO Tesla Elon Musk tuyên bố vật liệu Silicon có trong pin xe điện Model S đã giúp tăng quãng đường di chuyển thêm 6%, nhưng không đề cập chi tiết. Năm 2016, nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford công bố phương pháp bọc các điện cực bằng hạt silicon siêu nhỏ trong một lớp graphene để tạo ra lớp điện phân rắn ổn định với mật độ năng lượng có thể đạt 3.300 mAh/gram.

Trong giai đoạn 2017-2021, một số công ty như Global Graphene Group, Sila Nanotechnologies, Enovix, Enevate đã độc lập hoặc cùng nghiên cứu pin silicon-carbon. Trong số này, Enovix (Mỹ) cung cấp pin với cực dương được phủ Silicon hoàn chỉnh để thương mại hóa.

Dù vậy, Group14 Technologies (Mỹ) mới là công ty tiên phong đưa silicon-carbon lên smartphone. Năm 2024, hãng hợp tác với Amperex Technology (Hong Kong) để sản xuất và cung cấp một triệu pin dùng công nghệ này cho smartphone của Honor, chủ yếu ở thị trường nội địa Trung Quốc.

Tiến vào thị trường smartphone

Theo TBS News, về cơ bản pin silicon-carbon vẫn là pin lithium-ion nhưng có cực dương dùng vật liệu silicon kết hợp carbon thay vì than chì (graphite). Thiết kế này cho phép mật độ năng lượng cao hơn, vì silicon có thể chứa nhiều lithium hơn graphite. Theo tính toán, với cùng một kích thước, pin lithium-ion có dung lượng lưu trữ 372 mAh/gram, còn pin silicon-carbon là 470 mAh/gram, cao hơn 15%.

Điều này thể hiện rõ đối trên các mẫu smartphone gần đây. Chẳng hạn, Xiaomi Redmi Note 13 Pro+ ra mắt năm 2023 có pin lithium-ion dung lượng 5.000 mAh. Nhưng một năm sau, thế hệ Redmi Note 14 Pro+ với pin silicon-carbon đạt dung lượng 6.200 mAh, tăng 24%. Cả hai máy có màn hình 6,67 inch và gần như không chênh lệch về kích thước.

Red Magic, thương hiệu con của ZTE, cũng giới thiệu điện thoại Red Magic 10 Pro cuối năm ngoái với pin silicon-carbon dung lượng 7.050 mAh. Trong khi đó, iPhone 16 Pro Max có trọng lượng và kích cỡ tương tự nhưng dùng pin lithium-ion 4.685 mAh.

Theo Trusted Reviews, bên cạnh dung lượng lớn, pin silicon-carbon được đánh giá thân thiện với môi trường hơn so với lithium, coban và niken đang có mặt trên pin lithium-ion vốn không thể tái tạo. Trong khi đó, silic là nguồn tài nguyên dồi dào, dễ khai thác và ít gây tác hại đến môi trường.

Về lý thuyết, khả năng lưu trữ năng lượng trên silicon-carbon nhiều hơn 10 lần graphite (4.200 mAh/gram so với 372 mAh/gram). Tuy vậy, việc dùng cực dương bằng silicon nguyên chất có thể gây giãn nở cực độ, với cấu trúc phồng tới 300% khi được sạc đầy, làm giảm tuổi thọ và gây hỏng cấu trúc.

Ngoài ra, silicon phản ứng mạnh với chất điện phân, dẫn đến mất lithium và giảm dung lượng theo thời gian. Silicon cũng có độ dẫn điện thấp hơn than chì, có thể làm chậm tốc độ sạc và xả, làm tăng tổn thất do điện trở bên trong, có thể dẫn đến nhiều nhiệt hơn khiến tuổi thọ pin giảm.

Do đó, hiệu suất pin theo công nghệ mới hiện chỉ cao hơn 10-20% so với lithitum-ion, tùy thuộc hàm lượng silicon.

Một số công ty đưa ra giải pháp riêng. Oppo sử dụng phương pháp tăng hàm lượng silicon để tối đa hóa mật độ năng lượng bằng kỹ thuật tiên tiến như khoan laser, sử dụng lá đồng cải tiến để giảm kích thước pin. Kết quả là pin trang bị trên mẫu Find X8 đã giảm độ dày từ 5,87 mm ở thế hệ trước xuống còn 5,1 mm, trong khi tăng dung lượng từ 5.000 lên 5.630 mAh bên trong thân máy mỏng 7,85 mm.

Mẫu smartphone gập Oppp Find N5 cũng trang bị viên pin silicon-carbon 5.600 mAh dù máy mỏng 4,21 mm khi mở và 8,93 mm khi gập. Vivo cũng sử dụng công nghệ mới cho pin 5.700 mAh trên model gập X Fold 3 Pro 5,2 mm. Để so sánh, Z Fold 6 của Samsung dày 5,6 mm nhưng dùng pin lithium-ion dung lượng 4.400 mAh.

Theo TechRadar, thời gian tới smartphone gập sẽ được hưởng lợi nhiều nhất từ công nghệ pin silicon-carbon. Bên cạnh đó, làn sóng smartphone mỏng nhẹ có thể được tiếp sức bởi công nghệ pin này, cũng như tiến sang các loại thiết bị khác như smartwatch, máy tính bảng, máy tính xách tay.

Tuy vậy, vấn đề lớn nhất của silicon-carbon là tuổi thọ. Một công nghệ pin còn non trẻ được thương mại hóa trong thời gian ngắn cần có thêm thời gian để kiểm chứng độ bền. Android Authority cho rằng dù thay pin cho smartphone sau một thời gian sử dụng là điều khó tránh, người dùng có thể phải đối mặt với vấn đề này sớm hơn nếu dùng thiết bị với pin silicon-carbon, đặc biệt khi kết hợp với sạc nhanh.

"Không nhất thiết mua smartphone chỉ vì được trang bị pin silicon-carbon, nhất là khi bạn có ngân sách eo hẹp", trang này bình luận. "Do quy trình sản xuất phức tạp, công nghệ hiện chủ yếu dành cho các smartphone đầu bảng, tạo sức hút bằng yếu tố mới lạ. Có thể cần thêm vài năm, công nghệ này mới lan tỏa xuống phân khúc tầm trung".