Nobel là một trong những giải thưởng danh tiếng nhất thế giới. Nó được xét duyệt và trao giải hàng năm cho các lĩnh vực vật lý, hóa học, y học, văn chương và hòa bình. Người nhận được giải phải là cá nhân hoặc tổ chức có những thành tựu "mang lại lợi ích lớn nhất cho loài người".

Và năm nay, giải Nobel Hóa học thuộc về 3 nhà khoa học đã có những đóng góp và đi tiên phong trong công nghệ pin Lithium-Ion. Cụ thể đó là John B. Goodenough của trường Đại học Texas tại Austin, M. Stanley Whittingham của Đại học Binghamton và Akira Yoshino của Đại học Meijo. Mỗi nhà khoa học này đã phát triển nên một khía cạnh cụ thể trong công nghệ pin Lithium-Ion và cho phép sáng chế này cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ smartphone cho đến xe điện.

Nhưng ở một khía cạnh khác, giải thưởng năm nay cũng chính là sự công nhận rõ ràng nhất, cụ thể nhất và chính xác nhất cho thứ đang có sức ảnh hưởng khổng lồ tới toàn bộ thế giới, kể từ khi nó xuất hiện lần đầu vào năm 1985: Pin Lithium-Ion.

Lithium-Ion giờ đây là trái tim, giúp nuôi sống vô số thiết bị điện tử của chúng ta đang dùng hàng ngày, từ chiếc smartphone trong túi quần, laptop để làm việc, smartwatch đo bước chân trên tay, xe đạp điện để di chuyển, ô tô điện để đi làm và thậm chí cả những chiếc loa Bluetooth để nghe nhạc nữa. Hãy thử nhìn quanh mình một vòng, bạn sẽ thấy sự hiện diện của những cục pin Lithium-Ion đang ngày càng phổ biến.

Dẫu vậy, nói xa xôi hơn, Lithium-Ion chỉ là một trong số các đại diện nổi bật nhất của những viên pin di động. Các nhà khoa học, những công ty công nghệ khổng lồ, hay có thể nói chung cả loài người, đang tham gia vào một cuộc chạy đua và giành giật lấy công nghệ sản xuất chế tạo pin di động. Bởi ai nắm được chúng trong tay, sẽ là người nắm được cả thế giới ngày mai.

Battery War đã chính thức bắt đầu!

Nhiều người nói rằng chúng ta đang sống trong thời đại smartphone. Câu trả lời có phần khá đúng với hiện thực xã hội, nhưng chưa đủ. Chính xác hơn, chúng ta đang sống trong thời đại của các thiết bị di động không dây, và smartphone chỉ là gương mặt nổi bật nhất ở thời kỳ khởi đầu này.

Con người đang bước vào kỷ nguyên của thiết bị di động và không dây.

Nhưng xu thế đang dần thay đổi. Bởi thị trường smartphone đang có dấu hiệu bão hòa, khi lượng người mua điện thoại thông minh mới đang có phần chững lại. Apple, công ty sản xuất smartphone nổi tiếng nhất thế giới, đã bị tụt giảm doanh số trầm trọng trong những năm gần đây. Nhưng điều đó cũng được cho là xu thế phù hợp, để cho các thiết bị di động không dây khác bước lên sân khấu. Đó là các loại phụ kiện thông minh và không dây như tai nghe, loa, mắt kính, quần áo, xe điện, drone và thậm chí cả ô tô, tàu thủy...

Và trái tim của tất cả các thiết bị di động không dây này, chính là những viên pin có thể sạc lại nằm khiêm tốn bên trong. Công nghệ có thông minh và hiện đại tới đâu vẫn luôn cần một nguồn năng lượng để duy trì sự sống. Không phải ngẫu nhiên mà các nhà sản xuất smartphone luôn âm thầm chạy đua về thời lượng sử dụng trên thiết bị của mình. Chẳng phải rảnh rỗi mà các nhà khoa học tốn bao công sức để tìm cách chế tạo ra những loại pin mới có thể sạc trong vài giây, dùng liền vài tháng, chẳng cần dây, không lo nổ...

Xã hội càng phát triển hiện đại, con người càng hướng tới sự tự do và tối giản. Ai cũng muốn có một thứ gì đó hiện đại, mỏng nhẹ, dùng bền lâu nhưng có thiết kế đơn giản không dây dợ lằng nhằng. Điều đó chỉ có thể được hiện thực hóa, khi những viên pin ngày càng được cải tiến và có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Lithium-Ion hiện vẫn đang là ngôi sao sáng nhất, đạt điểm dung hòa giữa chất lượng, độ bền, ổn định và khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp cùng giá thành.

Với những người đang có khả năng đọc được bài viết này, thì 99% trong khu vực bán kính 1 mét xung quanh bạn, đang có một viên pin Lithium-Ion hiện diện.

Con người của tương lai trong 5-10 năm tới, có thể sẽ là một cơ thể được gắn đầy pin Lithium-Ion. Chúng có thể ở trên cổ tay, nằm bên trong chiếc smartwatch xinh xắn; là chiếc iPhone hoặc... BPhone trong túi quần; nằm dưới gan bàn chân trong chiếc sneaker có thể tự buộc dây, đếm bước chân đo sức khỏe; ở trên lưng trong chiếc áo có lớp bề mặt hấp thụ được năng lượng mặt trời để chuyển hóa thành điện năng; hay viên pin siêu nhỏ trong chiếc kính râm có tích hợp Siri hay Google Assistant. Rồi tới cả tai nghe không dây, mũ bảo hiểm thông minh, găng tay thông minh, đồ lót thông minh, vòng tay thông minh, đồ trang sức cũng thông minh...

Rõ ràng, trong kỷ nguyên của thiết bị di động không dây, bạn sẽ không thể tách rời, thậm chí phải cộng sinh cùng những viên pin 24/7.

Khi thành lập Tesla năm 2003, chắc chắn Elon Musk không bao giờ nghĩ tới mình có thể thành công và nổi tiếng như ngày hôm nay. Công ty này được biết tới như một hãng công nghệ có thể sản xuất pin mặt trời, xe điện tự lái, tàu vũ trụ, xây dựng cơ sở hạ tầng như đào hầm và cả súng phun lửa.

Nhưng cốt lõi của nó, thứ giúp cho công ty này có thể dễ dàng huy động hàng tỷ USD vốn đầu tư mọi lúc cần thiết, cũng như thỏa sức phung phí ở các dự án mang tầm viễn tưởng và luôn phải bù lỗ của mình, chính là một bộ ba sản phẩm. Nó bao gồm mái nhà năng lượng mặt trời, pin lưu trữ và xe điện. Đây là ba lĩnh vực mũi nhọn kinh doanh giúp Tesla thống trị cả thế giới, theo tham vọng của CEO Elon Musk, trong tương lai.

Và bạn có thể dễ dàng nhận ra thứ nằm phía sau cả ba mũi nhọn này, chính là những viên pin hay cụ thể hơn là công nghệ và các bằng sáng chế mà Tesla đang sở hữu trong lĩnh vực này. Đây cũng là điều giúp công ty này trở thành đại diện lớn nhất của phương Tây trong cuộc chiến về pin - Battery War.

Có thể nói, ở thời điểm hiện tại, công nghệ pin của Tesla là không có đối thủ.

"Quả bom tấn" của Elon Musk, cho thấy Tesla đang đẫn đầu về công nghệ sản xuất pin so với phần còn lại của thế giới.

Trong lịch sử, cobalt là thành phần chủ chốt, chiếm đếm 1/3 các hóa chất trong một viên pin Lithium-Ion. Khoảng một nửa năng lực sản xuất cobalt toàn cầu đang dành cho các viên pin sạc và mối lo ngại về việc hạn chế nguồn cung và các tác động đến môi trường cũng như con người trong việc khai thác cobalt đã biến nó trở thành thành phần gây tranh cãi nhất trong các lĩnh vực xe điện.

Các nhà nghiên cứu còn lo lắng rằng điều này sẽ ảnh hưởng tới tương lai đầy tham vọng của Tesla, dựa trên mức độ có sẵn dự kiến của cobalt. Nhưng mới đây, CEO của Tesla, Elon Musk đã thả một quả bom tấn vào các dự báo trong ngành công nghiệp này. Ông tiết lộ hàm lượng cobalt trong các khối pin của chiếc xe điện Model 3 chỉ có 3%. Đây là một con số quá nhỏ bé nếu so với mức độ sử dụng thường thấy của loại hóa chất này trong các viên pin hiện tại.

Đáng ngạc nhiên hơn, ông còn cho biết pin thế hệ tiếp theo của Tesla thậm chí còn không sử dụng đến nguyên tố hóa học này.

Xe điện Tesla sở hữu một "trái tim khỏe mạnh" vượt trội so với các đối thủ trong ngành.

Các kỹ sư ô tô đến từ các đối thủ của Tesla không tin. Họ mổ xẻ chiếc Model 3 để đo đạc và thử nghiệm. Kết quả cho thấy chỉ có khoảng 2,8% hàm lượng cobalt trong cell pin của Model 3. Và đây là một thông tin khá u ám, phủ lên phần còn lại của toàn bộ thị trường sản xuất xe điện thế giới.

Khác biệt giữa công nghệ pin của Tesla và các hãng ô tô đối thủ có thể trở nên ngày càng quan trọng khi những chiếc xe điện chiếm thị phần lớn hơn trong tổng lượng xuất xưởng xe trên toàn cầu. Các công ty sử dụng công nghệ pin phụ thuộc nhiều vào cobalt sẽ bị mắc kẹt với việc thắt chặt nguồn cung vật liệu, dẫn đến gia tăng chi phí cho cobalt trong khi Tesla lại vượt qua được nó một cách dễ dàng.

Chưa kể, hồi tháng 9, một báo cáo khoa học mới cho thấy Tesla sắp cho ra mắt công nghệ pin xe điện có thể vận hành suốt 1.609.344 km rồi mới hỏng. Và điều tuyệt vời hơn là Tesla công khai nghiên cứu mới để các hãng xe khác có thể tự phát triển và ứng dụng.

Năm 2013, có một công ty Trung Quốc tên là Ganfeng, đã gửi một nhóm kỹ sư đến thị trấn nhỏ Carlow ở Ai-len, để khảo sát các mỏ Lithium đầy tiềm năng ở bên dưới vùng nông thôn yên bình này. Bước đi đầu tiên này sau đó đã mở ra chân trời mới, cùng tham vọng thống trị cuộc cách mạng xe điện toàn cầu của công ty Trung Quốc này, thông qua việc kiểm soát loại vật liệu chủ chốt cho các khối pin có thể sạc lại.

Với những dự án và mối quan hệ hợp tác trải dài từ Nam Mỹ cho đến Úc, Ganfeng đang hướng đến việc mở rộng việc khai thác, nhằm vươn lên thành nhà sản xuất Lithium lớn thứ hai trên thế giới trong năm nay.

Tăng trưởng bùng nổ về xe điện đã làm nên quyền lực của những nhà cung ứng như Ganfeng.

Và quay trở lại câu chuyện cobalt ở trên, loại hóa chất quan trọng để sản xuất pin Lithium-Ion, thì Cộng hòa Dân chủ Congo là quốc gia nắm giữ 60% trữ liệu toàn cầu. Và Trung Quốc, đã ký được một loạt hợp đồng mua 80% cobalt của Congo. Các hãng ô tô của Mỹ, Nhật Bản hay châu Âu có công nghệ mà không có cobalt thì không thể sản xuất ra xe ô tô điện. Nói cách khác, chính quyền Bắc Kinh đang nắm giữ huyết mạch của ngành công nghiệp sản xuất pin toàn cầu.

Trung Quốc khao khát tăng trưởng, thèm khát công nghệ mới và kim loại hiếm là chìa khóa cho phép đạt được tất cả các mục tiêu này. Nhà cung cấp pin lithium-ion lớn nhất thế giới hiện giờ là Trung Quốc. Đất nước này cũng đứng sau hai phần ba sản lượng pin của thế giới. Điện thoại Trung Quốc, pin Mặt trời Trung Quốc đã tràn ngập thị trường thế giới và trong tương lai rất gần, nhờ có kim loại hiếm, quốc gia châu Á này sẽ làm chủ luôn cả thị trường xe ô tô điện của thế giới.

Sau hơn 30 năm chấp nhận là công xưởng cung cấp nguyên liệu cho thế giới, Trung Quốc giờ đang chuyển mình vươn lên. Và lĩnh vực năng lượng bao gồm ngành chế tạo sản xuất pin là một trong những điều mà quốc gia này đang nhắm tới.

Và một điều mà chỉ có Trung Quốc, chứ không phải quốc gia nào có thể làm được, để có lợi thế trong cuộc chiến pin và năng lượng mới này, đó chính là việc "trả giá". Đó là những "ngôi làng ung thư" tại các vùng cung cấp đất hiếm, là các diện tích canh tác khổng lồ bị nhiễm kim loại nặng, là những con sông dòng suối ngấm đầy hóa chất độc hại.

Hậu quả về ô nhiễm môi trường, sức khỏe con người mà ngành công nghiệp khai thác mỏ kim loại hiếm gây ra là điều mà các quốc gia phát triển như Pháp, Mỹ hay Nhật Bản không thể hoặc không muốn đánh đổi.

Pin Lithium-Ion dù đang rất phổ biến, nhưng vẫn có nhiều nhược điểm. Đôi khi chúng bắt lửa, xì khói hoặc thậm chí nổ tung khi gặp va chạm. Chúng cũng không hề rẻ, bởi việc sản xuất phụ thuộc vào nguồn cung hạn chế của lithium và cobalt đang ngày càng khan hiếm. Bản thân hoạt động khai thác hai loại quặng này cũng rất độc hại và gây tác động lớn tới môi trường.

Các nhà hóa học tại trường đại học Stanford đã phát minh ra loại pin nhôm hiệu năng cao, với các đặc tính như thời gian sạc pin nhanh, độ bền cao và giá thành vừa phải. Các nhà nghiên cứu cho biết giải pháp công nghệ mới này đem lại một sự thay thế tin cậy cho các loại pin thương mại đang được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Pin sạc nhôm-ion có hai điện cực: dương cực làm bằng nhôm được tích điện âm, và âm cực được tích điện dương. Trong đó, cực âm là than chì.

Một giải pháp khác là nghiên cứu chế tạo ra những quả pin với cực dương làm bằng canxi. Bởi canxi có trữ lượng phong phú hơn, giúp giảm giá thành pin. Pin canxi cũng an toàn, bền và ít độc hại hơn so với pin lithium. Zhirong Zhao-Karger, một nhà khoa học tại Viện Helmholtz Ulm ở Đức và các đồng nghiệp mới đây đã tạo ra một loại muối canxi mới, có tính dẫn điện tốt và có thể tạo được các dòng ion ở hiệu điện thế cao.

Với các tính chất ưu việc này, hợp chất mới của Zhao-Karger có thể mở đường cho việc sản xuất pin dựa trên canxi. Các quả pin thế hệ mới này hứa hẹn cũng sẽ nhẹ, an toàn, hiệu quả và rẻ hơn so với pin Lithium-Ion.

Một hướng đi khác đang được thực hiện đó là việc tìm cách tạo ra các loại pin thể rắn - solid state battery. Nếu thành công, nó sẽ được gọi tắt là SSB, giống như cách chúng ta gọi những ổ đĩa thể rắn là SSD.

Nghiên cứu mới về SSB tới từ Đại học Kỹ nghệ Columbia dựa trên việc tìm ra cách ổn định được chất điện phân rắn khi đặt nó trong kim loại lithium, hay chính là pin thể rắn. Bằng việc tận dụng phủ một lớp boron nitride (kí hiệu: BN) mỏng ở mức nano lên thiết bị, các nhà nghiên cứu có thể tăng dung lượng pin SSB lên 10 lần so với pin Li-ion. Bên cạnh đó, chất điện phân sứ sử dụng trong thiết kế pin SSB không có khả năng bắt lửa, an toàn hơn nhiều so với "quả bom nổ chậm" Li-ion.

Các nhà khoa học thế giới cũng đang tham gia vào cuộc chiến Battery War điên cuồng.

Samsung, gã khổng lồ công nghệ hàn Quốc, cũng đang nghiên cứu công nghệ pin lithium-air, với công suất hứa hẹn sẽ gấp đôi pin lithium-Ion và cao hơn 50% so với loại pin thể rắn thế hệ mới.

Mới đây, phòng thí nghiệm của Samsung đã chế tạo thành công mẫu pin lithium-air có công suất lên tới 520Wh chia cho mỗi kg trọng lượng pin. Như vậy, nếu khối lượng pin lớn thì công suất tối đa có thể đạt được sẽ rất ấn tượng. Sở dĩ, pin có công suất lớn hơn nhờ việc làm mỏng các vách ngăn đoản mạch, một trong những thành phần quan trọng trong pin, xuống dưới 20% so với trước. Lúc này độ mỏng có thể lên 20 micromet. Độ mỏng lớn giúp việc tích lũy thêm nhiều cell pin dễ dàng hơn, qua đó giúp tăng công suất tổng thể cho mỗi viên pin lithium-air. Khi được sạc đầy, pin có thể cung cấp quãng đường tối đa lên tới 700km cho mẫu xe điện Nissan Motor Leaf.

Ngoài ra, còn một loại các công nghệ pin khác đang được nghiên cứu và thử nghiệm trên khắp thế giới như: Pin dây nano có thể chịu được hơn 200.000 lần sạc chỉ trong vòng 3 tháng và không hề có dấu hiệu bị chai một chút nào; Pin graphene do hãng Grabat phát triển có thể được sạc đầy chỉ trong vài phút và thời gian sạc/xả nhanh hơn 33 lần so với pin Lithium-Ion; Pin bọt sử dụng chất nền là bọt đồng, khó cháy và có tuổi thọ dài hơn, sạc nhanh hơn, mật độ cao hơn 5 lần, giá thành sản xuất rẻ hơn và có kích thước nhỏ hơn; Pin Jenax J.Flex có thể uốn con hay gập được giống như giấy và có khả năng chống nước, dễ dàng tích hợp vào quần áo hoặc các thiết bị đeo thông minh; Pin sạc bằng nước tiểu; Pin sạc bằng âm thanh; Pin cát; Pin Natri-ion; Pin chất lỏng; Pin kẽm-không khí; Pin lượng tử không bị mất điện tích theo thời gian...

Tất cả chúng, đều nhằm mục đích duy nhất là thay thế ngai vàng của pin Lithium-Ion hiện tại. Tuy nhiên, chúng vẫn còn cần phải vượt qua các rào cản về công nghệ, vật liệu, độ an toàn, chí phí và kỹ thuật để có thể sản xuất đại trà. Giới phân tích nhận định, các chướng ngại vật này sẽ sớm giải quyết và các công ty mới sẽ cung ứng ra thị trường những loại pin thay thế Lithium-Ion trong khoảng 10 năm tới.

Nhưng những khó khăn này sẽ không ngăn được tham vọng của các nhà nghiên cứu và phát triển. Các nhà đầu tư, tập đoàn công nghệ lớn vẫn sẵn sàng đổ nhiều tỷ USD nữa vào vòng xoáy năng lượng này. Bởi ai cũng ngầm hiểu một cách rõ ràng, kẻ nào chiến thắng trong cuộc chạy đua tìm ra công nghệ sản xuất pin mới, kẻ đó sẽ nắm được cả thế giới.