Chạy đua chế tạo siêu pin hứa hẹn sẽ làm nên cuộc cách mạng thứ hai cho xe điện

Khi được hỏi về mong muốn lớn nhất từ 1 chiếc xe điện, rất nhiều người sẽ liệt kê 3 điều: đi được quãng đường xa, thời gian sạc ngắn và mức giá cạnh tranh so với 1 chiếc xe tương tự chạy bằng động cơ đốt trong.

Để đạt được những mục tiêu này, các nhà sản xuất ô tô vẫn đang tìm cách thay thế những loại pin lithium-ion (Li-ion) truyền thống (mà phần lớn xe điện trên thị trường sử dụng) bằng những công nghệ hiện đại hơn. Những loại pin mới này hứa hẹn sẽ giúp rút ngắn thời gian sạc nhưng cho phép đi được quãng đường xa hơn sau 1 lần sạc.

Đạt được đột phá

Cuối cùng, sau nhiều năm gặp phải đủ thứ rắc rối về mặt kỹ thuật, những nỗ lực tìm ra loại pin mới đang dần đem đến quả ngọt. Theo dự kiến, những viên pin Li-ion thể rắn đầu tiên sẽ bắt đầu được sản xuất trong vài năm tới.

Toyota, nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới, đã bắt đầu nghiên cứu pin thể rắn từ năm 2012. Mới đây, công ty vừa thông báo đã đạt được đột phá công nghệ và dự định sẽ bắt đầu sản xuất pin thể rắn sớm nhất vào năm 2027. Theo tuyên bố của Toyota, loại pin này sẽ cho phép 1 chiếc xe điện chạy được 1.200km sau 1 lần sạc – gấp đôi so với nhiều mẫu xe phổ biến hiện nay. Hơn nữa thời gian sạc chỉ khoảng 10 phút.

Toyota không phải là công ty duy nhất. Những con số ấn tượng tương tự cũng đang được những nhà sản xuất khác công bố. Ví dụ, Nissan đang xây 1 nhà máy thí điểm ở Yokohama sẽ bắt đầu sản xuất những phiên bản thử nghiệm ngay trong năm tới. BMW có kế hoạch xây dựng 1 nhà máy tương tự ở Đức, kết hợp cùng với 1 công ty phát triển pin đến từ Mỹ có tên Solid Power. QuantumScape, 1 startup ở thung lũng Silicon, đã bắt đầu vận chuyển những mẫu thử pin thể rắn tới Volkswagen.

Phát triển pin thể rắn là công việc không hề dễ dàng và tiêu tốn nhiều thời gian. Làm ra loại pin mới trong phòng thí nghiệm là 1 chuyện, nhưng để nhân rộng và sản xuất hàng triệu sản phẩm trong nhà máy là chuyện khác khó khăn hơn gấp bội. Mặc dù được phát minh ra từ cuối những năm 1970, phải đến đầu những năm 1990 những viên pin Li-ion mới được thương mại hóa, đầu tiên là sử dụng trong những thiết bị điện tử xách tay như laptop và điện thoại di động, sau này mới là xe điện.

Bản thân xe điện cũng đã xuất hiện ngay từ thuở bình minh của ngành ô tô. Clara Ford yêu thích chiếc Detroit Electric hơn nhiều so với những chiếc xe chạy bằng xanh mà chồng của bà là Henry Ford sáng tạo ra. Tuy nhiên, những chiếc xe điện đầu tiên chạy bằng hàng chục cục pin chì-acid vừa nặng nề vừa đắt đỏ nhưng chỉ chạy được quãng đường rất ngắn. Sau đó những viên pin Li-ion đã tạo ra 1 cuộc cách mạng khi giúp giảm chi phí mà lại tăng được quãng đường di chuyển và khởi đầu công cuộc điện khí hóa các phương tiện giao thông.

Giờ đây ngành ô tô đang mong chờ pin Li-ion thể rắn sẽ mang đến 1 cuộc cách mạng khác.

Cuộc cách mạng thứ hai của xe điện

Ban đầu, lý do chính khiến các nhà sản xuất ô tô quan tâm đến pin thể rắn là để nâng cao độ an toàn. Pin Li-ion truyền thống có tồn tại nguy cơ cháy nổ nếu chiếc xe gặp tai nạn hoặc nhiệt độ tăng lên quá cao trong lúc sạc. Sử dụng chất dung môi không bắt lửa, chất điện phân ở dạng thể rắn của pin đời mới sẽ ngăn chặn được điều này.

Bản thân chất điện phân thể rắn không cải thiện hiệu suất của pin, nhưng nó cho phép nhà sản xuất thiết kế lại cục pin sang dạng nhỏ hơn và nhẹ hơn mà vẫn chứa được nhiều năng lượng hơn.

Chất điện phân thể rắn có thể được làm từ nhiều loại hóa chất, trong đó có polymers và ceramics. Tuy nhiên kể cả Toyota, bậc thầy về sản xuất đại trà, ban đầu cũng gặp nhiều khó khăn.

Dẫu vậy, bất chấp những khó khăn ban đầu, các công ty Nhật Bản đã đạt được bước tiến lớn. Đã bị chậm chân trong cuộc chiến xe điện, có lẽ họ sẽ sử dụng những loại pin mới để lấy lại sức cạnh tranh, dù đây là 1 cuộc đua rất khốc liệt.

Trên thị trường hiện đã có một số loại pin thể rắn được đưa vào sử dụng. Ví dụ, Blue Solutions (Pháp) đã sản xuất pin sử dụng polymer làm chất điện phân và chuyên dùng cho xe bus điện. Trong khi đó nhiều công ty pin Trung Quốc đang theo đuổi những loại pin ở thể nửa rắn nửa lỏng.

CATL – công ty sản xuất hơn 1/3 số pin xe điện của toàn thế giới – cho biết sẽ bắt đầu sản xuất loại pin này vào cuối năm nay. Theo CATL, pin mới có thể chứa được 500 watt-giờ trên mỗi kg. Hiện nay loại pin Li-ion với chất điện phân dạng lỏng có hiệu suất cao nhất cũng chỉ vào khoảng 300wh/kg.

Tuy nhiên, hiệu suất chỉ là 1 đặc tính để xem xét khi đánh giá 1 loại pin. Còn các vấn đề khác như pin truyền năng lượng nhanh đến đâu, tuổi thọ bao lâu và giá cả như thế nào. Để giải quyết những vấn đề này lại đòi hỏi sự đánh đổi. Ví dụ, để tăng lượng năng lượng mà pin có thể tích trữ thì phải tăng chi phí nếu như cần thêm lithium. Và sạc nhanh thường làm giảm tuổi thọ pin. Để cân bằng được các yếu tố này phụ thuộc rất nhiều vào những nguyên liệu được lựa chọn để làm pin.

Bắt đầu với cathodes, phần đắt đỏ nhất trong 1 cục pin Li-ion. Có 2 loại phổ biến nhất là nmcs (kết hợp giữa lithium với nickel, manganese và cobalt) và lfps (làm từ hợp chất gồm lithium, sắt và phosphate). Vì không sử dụng 2 vật liệu đắt đỏ là nickel và cobalt, lfps được ưa chuộng hơn nhưng cũng có khả năng tích trữ năng lượng thấp hơn, do đó thường được sử dụng trong những phương tiện không yêu cầu hiệu suất cao.

Với hàng trăm phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang chạy đua đi tìm những vật liệu pin mới, những tia hi vọng đã xuất hiện. Các nhà khoa học muốn sử dụng sodium thay cho lithium. Sodium có trữ lượng nhiều hơn và rẻ hơn, dù lithium vẫn là kim loại nhẹ nhất thế giới và trong một số trường hợp bắt buộc phải sử dụng lithium.

Còn được gọi là “vàng trắng”, giá lithium đã tăng vọt trong thời gian gần đây. Cuối năm ngoái, có lúc giá lên đến 600.000 nhân dân tệ (tương đương 80.000 USD/tấn) trước khi giảm xuống còn 250.000 tệ như hiện nay, tuy nhiên vẫn cao gấp đôi so với 2 năm trước. Giá nickel cũng biến động mạnh.

Trong thị trường như vậy, các công ty cần phải đảm bảo được nguồn cung. Mặc dù một số mỏ kim loại mới đang được phát triển, đặc biệt là bên ngoài Trung Quốc, cần ít nhất 1 thập kỷ trước khi đạt công suất đầy đủ. Do đó, các chuyên gia trong ngành dự đoán các ông lớn ô tô sẽ phát triển mô hình tích hợp theo chiều dọc bằng cách hợp tác với các nhà sản xuất pin và những công ty khai khoáng.

Dù gì thì pin Li-ion thể rắn vẫn đang có tiềm năng đủ lớn để giúp xe điện cạnh tranh với xe xăng trên đủ các khía cạnh, từ hiệu suất, quãng đường di chuyển được đến mức độ tiện lợi. Hiện pin Li-ion truyền thống chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất 1 chiếc xe điện. Con số chắc chắn sẽ phải giảm xuống nếu như pin thể rắn giúp xe điện cạnh tranh được với xe xăng về giá.

Tham khảo The Economist