Để giải bài toán này, các nhà sản xuất ô tô đã tìm cách thay thế pin lithium-ion (Li-ion) truyền thống cung cấp năng lượng cho hầu hết các loại xe điện hiện đại (EV) bằng các phiên bản pin thể rắn tiên tiến hơn. Những loại "siêu pin" này từ lâu đã hứa hẹn khả năng sạc nhanh hơn cho quãng đường/1 lần sạc lớn hơn nhiều. Cuối cùng, sau nhiều năm giải quyết các vấn đề về kỹ thuật, những nỗ lực chế tạo chúng cũng đã có kết quả, với loại pin Li-ion thể rắn đầu tiên sẽ được đưa vào sản xuất trong vòng vài năm tới.

Toyota, nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới, đã bắt đầu xem xét pin thể rắn vào năm 2012. Trong nhiều năm, hãng thậm chí còn có ý định trưng bày các nguyên mẫu hoạt động được, mặc dù rất ít xuất hiện. Tuy nhiên, mới đây họ tuyên bố đã đạt được một “bước đột phá về công nghệ” với kế hoạch bắt đầu sản xuất pin thể rắn sớm nhất là vào năm 2027. Toyota tuyên bố loại pin mới của họ sẽ cung cấp cho xe điện phạm vi hoạt động khoảng 1.200km (746 dặm), gấp đôi so với nhiều mẫu hiện có và có thể sạc lại trong khoảng mười phút.

CUỘC ĐUA CỦA CÁC ÔNG LỚN

Toyota không phải là ông lớn duy nhất tìm kiếm công nghệ chế tạo siêu pin. Nissan hiện đang xây dựng một nhà máy thí điểm ở Yokohama và sẽ bắt đầu sản xuất các phiên bản thử nghiệm vào năm tới. Một nhà máy tương tự cũng được BMW lên kế hoạch xây dựng ở Đức với sự hợp tác của Solid Power, nhà phát triển pin có trụ sở tại Colorado. QuantumScape, một công ty khởi nghiệp ở Thung lũng Silicon, cũng đã bắt đầu vận chuyển nguyên mẫu pin thể rắn cho Volkswagen, nhà tài trợ chính của họ.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi việc phát triển pin thể rắn lại mất nhiều thời gian đến vậy. Nghiên cứu một loại pin mới trong phòng thí nghiệm là một chuyện, nhưng việc mở rộng quy mô để có thể thương mại hóa, sản xuất hàng triệu pin trong nhà máy là một công việc khó khăn. Mặc dù được phát minh vào cuối những năm 1970, nhưng bản thân pin Li-ion vẫn chưa được thương mại hóa hoàn toàn cho đến đầu những năm 1990, lúc đầu chúng chỉ dành cho các thiết bị điện tử cầm tay, như máy tính xách tay và điện thoại di động, sau đó là các phiên bản lớn hơn có thể được sử dụng để cấp nguồn cho xe điện.

Trên thực tế, không nhiều người biết rằng xe điện đã xuất hiện từ buổi bình minh của ô tô. Clara Ford đã rất thích chiếc Detroit Electric 1914 của mình hơn những chiếc xe chạy bằng xăng do chồng cô, Henry chế tạo. Nhưng những chiếc xe điện đầu tiên này và những chiếc xe khác xuất hiện trong những năm tiếp theo, phần lớn được cung cấp năng lượng từ hàng chục cục pin axit-chì nặng, đắt tiền, phạm vi hoạt động hạn chế và khá chậm chạp. Nhẹ và có khả năng lưu trữ một lượng điện lớn, pin Li-ion giúp giảm chi phí và tăng phạm vi hoạt động (biểu đồ 1), cho phép điện khí hóa phương tiện giao thông vận tải bắt đầu một cách nghiêm túc. Pin Li-ion thể rắn tiếp tục mang lại một cuộc cách mạng khác.

Các nhà sản xuất ô tô ban đầu bị thu hút bởi các tế bào trạng thái rắn để cải thiện sự an toàn bởi vì dù mạnh mẽ đến đâu, các tế bào Li-ion truyền thống cũng tiềm ẩn rủi ro. Điều này là do chúng chứa chất điện phân lỏng thường được làm từ dung môi hữu cơ và rất dễ cháy. Do đó, nếu pin Li-ion bị hỏng, có thể xảy ra do tai nạn hoặc nếu pin quá nóng trong khi sạc, pin có thể phát nổ. Sử dụng chất điện phân rắn, không cháy sẽ ngăn chặn được điều đó. Chất điện phân rắn có thể được làm từ nhiều loại hóa chất, bao gồm polyme và gốm sứ. Nhưng ngay cả Toyota, bậc thầy về sản xuất hàng loạt, ban đầu cũng gặp khó khăn trong việc khiến các tế bào thể rắn hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.

Bản thân chất điện phân rắn có thể không giúp nhiều cho việc cải thiện hiệu suất của pin. Nhưng nó cho phép pin Li-ion được thiết kế lại để có thể chế tạo nhỏ hơn và nhẹ hơn, từ đó chứa nhiều năng lượng hơn vào ít không gian hơn. Nó cũng cho phép các kỹ sư mở rộng phạm vi vật liệu mà họ có thể sử dụng để sản xuất pin Li-ion và nghiên cứu cách thức hoạt động của nó.

Bất chấp bản chất dễ cháy của chúng, chất điện giải được sử dụng ở dạng lỏng vì lý do chính đáng. Các ion là các hạt tích điện và được tạo ra ở một trong các điện cực của pin, cực âm, khi tế bào được tích điện, khiến các electron bị tách ra khỏi nguyên tử lithium (xem biểu đồ 2). Chất điện phân cung cấp môi trường để các ion di chuyển đến điện cực thứ hai, cực dương. Khi làm như vậy, các ion đi qua một bộ phân tách xốp giúp giữ các điện cực tách biệt nhau nhằm tránh hiện tượng đoản mạch. Trong khi đó, các electron được tạo ra ở cực âm sẽ di chuyển về phía cực dương dọc theo dây dẫn của mạch sạc bên ngoài. Các ion và electron tái hợp ở cực dương nơi chúng được lưu trữ. Khi pin xả, quá trình này sẽ đảo ngược, với các electron trong mạch cung cấp năng lượng cho một thiết bị — mà trong trường hợp xe điện là động cơ điện của nó.

MỌI CON ĐƯỜNG ĐỀU TÌM ĐẾN "SIÊU PIN"

Để tất cả những điều này hoạt động hiệu quả, các ion cần di chuyển giữa chất điện phân và điện cực một cách dễ dàng. Các điện cực được phủ bằng nhiều vật liệu khác nhau, dưới dạng các lớp hạt nhỏ. Vì chất điện phân lỏng trong pin Li-ion truyền thống có thể chảy vào các lớp này và nhúng các hạt vào, nó mang lại một diện tích bề mặt lớn cho các ion có thể đi qua. Chất điện phân rắn không thể chảy vào mọi ngóc ngách nên cần phải được nén mạnh vào các điện cực để tiếp xúc tốt. Tuy nhiên, làm điều này trong quá trình cấu tạo pin có thể làm hỏng các điện cực.

Mathias Miedreich, ông chủ của Umicore, một công ty cung cấp vật liệu pin có trụ sở tại Brussels, cho biết việc giải quyết cái gọi là vấn đề về độ dẫn điện này là một trong những thách thức kỹ thuật chính trong sản xuất pin thể rắn.

Ông Miedreich cho biết, các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong việc tìm ra cách sản xuất pin Li-ion thể rắn trên quy mô lớn. Ông tin rằng việc họ chậm trễ trong việc tung ra các mẫu xe điện có vẻ như nằm trong kế hoạch sử dụng những loại pin mới này để vượt qua các đối thủ cạnh tranh. Có thể đó là một chiến thuật, nhưng cuộc đua nghiên cứu một siêu pin còn lâu mới phân định được thắng thua, vì mỗi đối thủ lại có những cách đi khác nhau để tìm ra siêu pin riêng của mình.

Một số loại pin thể rắn đã có mặt trên thị trường. Ví dụ, Blue Solutions, một công ty của Pháp là thành viên của Tập đoàn Bolloré khổng lồ, sản xuất một loại pin có chứa polyme làm chất điện phân. Vì điều này đòi hỏi nhiệt độ vận hành cao nên ắc quy phù hợp nhất với những phương tiện mà sau khi ắc quy ấm lên, vẫn tiếp tục sử dụng liên tục. Do đó nó đang được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe bus điện.

Những loại pin khác chỉ là bước tạm thời vì chúng vẫn chứa một lượng nhỏ chất điện phân lỏng để giúp dẫn điện. Nhiều nhà sản xuất pin Trung Quốc thống trị thị trường cũng đang nghiên cứu các phiên bản bán rắn. Công nghệ Amperex đương đại (CATL), công ty Trung Quốc sản xuất hơn 1/3 số pin xe điện trên thế giới, tính bằng tổng công suất của chúng, cho biết họ có thể bắt đầu sản xuất phiên bản bán rắn vào cuối năm nay mà họ gọi là pin “ngưng tụ”. CATL tuyên bố loại pin này sẽ có cả mức độ an toàn cao và dung lượng lưu trữ lớn.

Dung lượng của pin có thể được đo bằng năng lượng riêng của nó, là lượng năng lượng có thể được lưu trữ theo trọng lượng. Theo CATL, pin ngưng tụ của họ sẽ có thể lưu trữ tới 500 wh mỗi kg ( wh/kg). Pin Li-ion hiệu suất cao nhất với chất điện phân lỏng hiện có trên thị trường có xu hướng đạt công suất khoảng 300 wh/kg. Pin ở trạng thái rắn hoàn toàn có thể đạt tới 600 wh/kg hoặc hơn thế nữa. Bên cạnh việc nâng cao hiệu suất của xe điện trên đường, loại pin có công suất và trọng lượng nhẹ như vậy cũng sẽ mở rộng đáng kể phạm vi hoạt động của các loại taxi bay cỡ nhỏ cất cánh và hạ cánh thẳng đứng sắp được chứng nhận đủ khả năng bay.

Tuy nhiên, dung lượng chỉ là một đặc tính của pin. Nó có thể cung cấp năng lượng nhanh đến mức nào, nó sẽ tồn tại được bao lâu và chi phí bao nhiêu cũng quan trọng không kém. Nhưng việc giải quyết những vấn đề này đòi hỏi phải có sự đánh đổi. Ví dụ, việc tăng lượng năng lượng có thể lưu trữ có thể sẽ làm tăng chi phí nếu cần nhiều lithium hơn. Và việc sạc nhanh thường xuyên có thể rút ngắn tuổi thọ của pin. Bí quyết để có được sự cân bằng phù hợp phụ thuộc vào vật liệu pin được chọn.

GIẢI BÀI TOÁN KHÓ: VẬT LIỆU

Bắt đầu với cực âm, thành phần đắt nhất trong pin Li-ion. Về lý thuyết, pin thể rắn khá khó xác định nên sử dụng loại nào. Hai loại cực âm phổ biến nhất được gọi là nmc, chứa lớp phủ lithium cùng với các tỷ lệ niken, mangan và coban khác nhau; và lfp, được làm từ hỗn hợp lithium sắt photphat. Bằng cách tránh sử dụng niken và coban đắt tiền, lfp đang trở nên phổ biến. Chúng là một đặc sản đặc biệt của Trung Quốc. Nhưng với dung lượng chứa thấp hơn nmc, chúng có xu hướng chỉ được sử dụng trên các phương tiện không yêu cầu hiệu suất cao.

Với hàng trăm phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang nghiên cứu vật liệu pin mới, các loại cực âm khác chắc chắn sẽ xuất hiện. Ví dụ, Umicore đã hợp tác với Idemitsu Kosan, một nhà sản xuất chất điện phân của Nhật Bản, để phát triển một loại vật liệu gọi là catholyte, kết hợp các hóa chất cathode với chất điện phân rắn để tạo thành một lớp duy nhất. Nếu nó hoạt động, điều này sẽ làm cho việc chế tạo pin trở nên đơn giản hơn. Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu sử dụng natri thay vì lithium làm nguồn ion trong pin. Natri rất dồi dào và rẻ, mặc dù lithium, kim loại nhẹ nhất, vẫn có lợi thế.

Đối với cực dương, những thay đổi cũng đang diễn ra. Hiện nay, hầu hết cực dương đều được làm từ than chì, một dạng cacbon tinh khiết được khai thác từ một số mỏ, chủ yếu ở Mozambique hoặc Trung Quốc, hoặc được tổng hợp trong các công trình hóa dầu sử dụng các quy trình sử dụng nhiều cacbon. Vì chất điện phân rắn làm giảm nguy cơ phản ứng bất lợi nên các vật liệu như silicon và một số kim loại nhất định, đặc biệt là lithium ở dạng kim loại, có thể được sử dụng thay thế. Những thứ này có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian ít hơn so với than chì, điều này cho phép chế tạo pin nhỏ hơn và nhẹ hơn. Không gian bổ sung được tiết kiệm vì chất điện phân rắn cũng có thể tăng gấp đôi như một chất phân tách.

Một số pin thể rắn sẽ “không có cực dương” (cũng được hiển thị trong biểu đồ 2). Đây là hướng đi của QuantumScape. Nó sử dụng một loại gốm độc quyền đóng vai trò vừa là chất phân tách vừa là chất điện phân, được đặt giữa cực âm và lá kim loại. Khi pin được sạc, các ion lithium di chuyển qua chất điện phân rắn và tích tụ trên lá kim loại, mạ lithium một cách hiệu quả để tạo thành cực dương hoạt động. Khi pin xả, các ion di chuyển trở lại và cực dương co lại.

Việc hình thành cực dương theo cách này có nghĩa là pin sẽ giãn ra và co lại. Tim Holme, người đồng sáng lập công ty, cho biết điều này cũng xảy ra ở tế bào Li-ion truyền thống, khoảng 4% so với khoảng 15% trong tế bào QuantumScape. Chuyển động này được thực hiện trong quá trình đóng gói các tế bào, được xếp thành từng lớp để tạo thành các mô-đun tạo nên một cục pin ev hoàn chỉnh .

Bên cạnh phạm vi hoạt động xa và thời gian sạc nhanh, QuantumScape cho biết pin của nó cũng sẽ có “vòng đời” kéo dài. Đây là thước đo số lần pin có thể được sạc và xả trước khi dung lượng pin giảm xuống dưới 90% và mức hiệu suất của pin bắt đầu giảm. Tiến sĩ Holme cho biết pin QuantumScape phải hoạt động tốt trong ít nhất 800 chu kỳ. Vì vậy, nếu mỗi lần sạc chỉ cung cấp phạm vi hoạt động trung bình khoảng 500 km, thì nó vẫn mang lại cho xe điện phạm vi hoạt động trong suốt vòng đời là khoảng 400.000 km—điều này phù hợp với bất kỳ phương tiện nào. Tiến sĩ Holme cho biết thêm, là gốm, bộ phân tách của pin cũng chống lại sự hình thành đuôi gai. Đây là những vi cấu trúc kim loại giống như ngón tay, có thể phát triển bên trong chất điện phân lỏng và gây đoản mạch. Pin bán rắn, bao gồm cả loại ngưng tụ, vẫn có thể dễ bị ảnh hưởng bởi điều này.

CUỘC ĐUA VẪN CÒN TIẾP DIỄN

Sẽ không ai có thể khẳng định được những loại pin mới này tốt đến mức nào cho đến khi chúng được đưa ra thị trường trên những chiếc xe điện. Khi đó những tuyên bố của nhà sản xuất có thể được kiểm tra. Phạm vi quảng cáo của xe điện hiện tại có thể không đạt được trong điều kiện lái xe thực tế. Xiaoxi He của IDTechEx, một công ty phân tích cho biết pin bán rắn đầu tiên sẽ xuất hiện trên ô tô vào năm 2025-26. Cô hy vọng những phiên bản hoàn toàn rắn đầu tiên, giống như những phiên bản đang được Toyota và những hãng khác phát triển, sẽ xuất hiện vào năm 2028.

Lúc đầu, con số sẽ nhỏ khi các công ty bắt tay vào sản xuất thử nghiệm trước khi đầu tư hàng tỷ USD vào việc chuyển đổi các “nhà máy gigafactory” hiện có để sản xuất pin mới hoặc chế tạo pin mới. Điều đó có nghĩa là pin sẽ đắt tiền khi được ứng dụng sớm trên các loại xe sang trọng và hiệu suất cao, Tiến sĩ He cho biết thêm. Vì vậy, có thể phải đến những năm 2030, pin thể rắn rẻ hơn mới được phổ biến rộng rãi trên ô tô gia đình.

Ở một mức độ lớn hơn, mức độ thành công của việc sản xuất hàng loạt trong việc giảm chi phí sẽ phụ thuộc vào việc giá nguyên liệu thô sẽ phát triển như thế nào trong thập kỷ tới. Fabian Duffner, thuộc Porsche Consulting, công ty được điều hành như một bộ phận độc lập của nhà sản xuất xe thể thao Đức, cho biết: “Pin thể rắn sẽ tiêu thụ nhiều lithium hơn đáng kể”. Tùy thuộc vào cách chúng được tạo ra, ông ước tính pin chứa cực âm và cực dương công suất cao hơn sẽ cần nhiều lithium hơn 40-100%. Đồng thời, các nhà sản xuất cũng sẽ cần bổ sung lithium khi họ ngày càng chuyển đổi hoạt động sản xuất từ xe động cơ đốt sang sản xuất xe điện.

Đôi khi được gọi là “vàng trắng”, giá lithium đang tăng vọt. Phần lớn thị trường lithium bị chi phối bởi Trung Quốc. Vào cuối năm ngoái, giá lithium cacbonat loại pin đã tăng lên khoảng 600.000 nhân dân tệ (khoảng 80.000 USD) một tấn, nhưng sau đó đã giảm trở lại khoảng 250.000 nhân dân tệ - vẫn gấp đôi so với hai năm trước. Giá niken cũng biến động mạnh.

Tiến sĩ Duffner cho biết thêm, trong một thị trường thay đổi như vậy, các công ty cần phải đảm bảo nguồn cung cấp của mình. Điều đó sẽ khó khăn vì mặc dù một số mỏ mới khai thác lithium và các vật liệu pin khác đang được phát triển, đặc biệt là bên ngoài Trung Quốc, nhưng chúng có thể phải mất một thập kỷ hoặc hơn trước khi đạt được sản lượng tối đa.

Do đó, Tiến sĩ Duffner kỳ vọng nhiều nhà sản xuất ô tô lớn sẽ hướng đến việc tích hợp theo chiều dọc hơn bằng cách hợp tác với các nhà sản xuất pin và các công ty vật liệu. Tại Nhật Bản, Toyota, Nissan và Honda đã hợp tác với Panasonic và gs Yuasa, một cặp nhà sản xuất pin, để thành lập một tập đoàn phát triển pin thể rắn.

Vật liệu tái chế sẽ giúp ích phần nào. Hầu hết các hoạt động đều đã tái chế pin từ các thiết bị điện tử tiêu dùng và sẽ mở rộng quy mô để giải quyết số lượng pin ngày càng tăng khi những chiếc xe điện cũ đi đến cuối con đường. Các phương pháp này rất tiên tiến—sau khi tách các tế bào pin, chúng sẽ được nghiền nhỏ và các vật liệu như lithium, coban, niken và mangan có thể được thu hồi và tinh chế.

Redwood Materials, một công ty tái chế pin có trụ sở tại Nevada, sử dụng một số vật liệu thu hồi được để chế tạo cực âm và cực dương mới. Northvolt, một nhà sản xuất pin của Thụy Điển với một số nhà máy lớn ở châu Âu, hy vọng vào cuối thập kỷ này sẽ có được khoảng một nửa nguyên liệu cần thiết từ pin tái chế.

Bằng cách này hay cách khác, pin Li-ion thể rắn đang dần xuất hiện. Chúng có vẻ đủ hứa hẹn để cuối cùng cho phép xe điện cạnh tranh với các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong lỗi thời, đặc biệt về phạm vi di chuyển, hiệu suất và sự tiện lợi. Hiện tại, pin Li-ion tiêu chuẩn chiếm khoảng 40% giá thành của xe điện. Tỷ lệ đó sẽ phải giảm để pin thể rắn cũng cho phép xe điện cạnh tranh về giá.

Thái Duy