Pin thể rắn: Vũ khí bí mật giúp Toyota giành ngôi vương ngành xe điện từ tay Trung Quốc và Elon Musk

Năm 1992, hãng Sony-Nhật Bản đã mở ra cuộc cách mạng thiết bị điện tử cầm tay với những chiếc pin Lithium-ion sau hàng thập niên nghiên cứu.

Giờ đây hàng tỷ người dùng đang được hưởng lợi từ phát mình này thông qua các thiết bị công nghệ cầm tay như smartphone.

Sau 3 thập kỷ tối ưu hóa, mảng ắc quy đang dần trở nên nóng bỏng hơn trước sự bành trướng của ngành xe điện.

Tuy nhiên các thương hiệu Trung Quốc và Tesla mới là những cái tên được nhắc đến nhiều nhất chứ không phải Nhật Bản, nơi khai sinh ra dòng ắc quy Lithium-ion.

May mắn thay, tình hình có lẽ sẽ thay đổi khi Toyota, hãng xe hơi lớn nhất thế giới cho biết họ sắp đạt được những bước đột phá cho công nghệ mới: Pin thể rắn.

Thông tin này đã manh nha từ tháng 6/2023 khiến tổng mức vốn hóa trên thị trường của hãng tăng tới 26 tỷ USD từ đó đến nay do nhà đầu tư kỳ vọng Toyota sẽ giành lại vị thế nhờ công nghệ mới trước sự bành trướng của Trung Quốc và Tesla.

Nếu thành công, hãng ô tô lớn nhất thế giới nhưng chậm chân trước Trung Quốc và Elon Musk có thể bán xe điện với độ an toàn cao hơn, sạc nhanh hơn và hiệu quả hơn với 1.200 km chạy chỉ với 1 lần cắm sạc, nhanh gấp đôi so với các dòng sản phẩm hiện nay.

Thắng thua là nhất thời, đẳng cấp là mãi mãi. Toyota hiểu rằng việc đi sau trong ngành xe điện khiến chuyện tăng sản lượng, giảm giá sản phẩm sẽ là vô nghĩa nếu không có một cuộc cách mạng công nghệ mới làm rung chuyển toàn thị trường.

Pin thể rắn hay ắc quy trạng thái rắn là pin sử dụng điện cực và điện phân trạng thái rắn để dẫn ion thay cho chất lỏng hoặc polymer thường thấy ở pin Lithium-ion.

Pin thể rắn an toàn hơn, mật độ năng lượng cao hơn nhưng chi phí sản xuất cao hơn pin Li-ion.

Tuổi thọ dài hơn và kích thước nhỏ hơn cũng có nghĩa là Pin thể rắn có khả năng giảm đáng kể chất thải điện tử do pin đã hết tạo ra.

Rung chuyển ngành xe điện

“Một cuộc đua nghiên cứu trên toàn cầu về pin thể rắn đang diễn ra. Nếu Toyota có thể thành công trước hãng khác trong việc chế tạo pịn thể rắn, đem lại chi phí rẻ hơn, kéo dài tuổi thọ ắc quy, tăng hiệu quả sạc với 10 phút là đầy pin thì họ có thể làm chấn động toàn thị trường”, Viện trưởng Peter Bruce của Viện khoa học Faraday Institution khẳng định.

Thật vậy, tờ Financial Times (FT) cho rằng nếu Toyota thành công với pin thể rắn thì hãng xe Nhật Bản này sẽ làm rung chuyển toàn ngành công nghiệp ô tô điện, nơi đang bị thống trị bởi những cái tên như Tesla, BYD hay CATL.

Mở rộng hơn, cuộc cách mạng mới về ắc quy sau 30 năm này sẽ đáp ứng được khát vọng của Phương Tây trong cuộc đua xe điện, đồng thời mở ra những ứng dụng mới trong các lĩnh vực như hàng không.

Thậm chí một số chuyên gia còn khẳng định sự đột phá này chẳng khác nào việc người dùng đổi từ điện thoại bàn cố định lên di động.

Mọi ắc quy hiện nay đều hoạt động theo cùng một nguyên tắc, đó là dòng nguyên tử tích điện (ion) sẽ chạy qua chất lỏng vật liêu hóa học (chất điện giải) từ cực dương đến cực âm, qua đó tạo ra dòng điện.

Pin thể rắn khác ở chỗ chất điện giải lại ở thể rắn chứ không phải thể lỏng, qua đó giúp xe điện chạy an toàn hơn, giảm rủi ro cháy nổ nhiều hơn khi di chuyển.

Tuy nhiên, điều khiến các nhà đầu tư háo hức ở công nghệ mới này đến từ sự thay đổi trong cực dương, từ than chì sang những dạng nguyên liệu khác sẽ giúp gia tăng gấp đôi hiệu năng sạc của ắc quy, đồng thời giảm nhẹ trọng lượng pin.

Hiện việc nghiên cứu phát triển pin thể rắn trên thế giới đang gặp 2 trở ngại lớn.

Thứ nhất là khả năng duy trì hiệu suất sạc cao trong dài hạn bởi pin thể rắn có thể hình thành các cụm Lithium do sạc-xả nhiều lần dẫn đến hỏng hóc.

Thứ hai là việc duy trì tiếp xúc ổn định giữa các vật liệu rắn cũng khiến các nhà khoa học đau đầu.

Dẫu vậy, Toyota vào tháng 6/2023 đã tuyên bố đã đạt được thành quả đột phá về khả năng duy trì độ bền cho pin thể rắn, nhưng thông tin chi tiết không được tiết lộ.

Vào tuần trước, Toyota đã tuyên bố ký thỏa thuận hợp tác cùng tập đoàn hóa dầu Idemitsu Kosan để cùng phát triển và sản xuất chất điện phân sunfua, vốn là sản phẩm mà hãng cho rằng sẽ đóng vai trò quan trọng trong vòng 5 năm tới.

“Chúng tôi tin tưởng rằng chất điện phân rắn gốc sunphua sẽ là giải pháp tiềm năng cho các thách thức về ắc quy xe điện liên quan đến phạm vi di chuyển lẫn thời gian sạc”, giám đốc Shunichi Kito của Idemitsu khẳng định trong cuộc họp báo chung cùng Toyota.

Một vấn đề nữa làm đau đầu các nhà khoa học là khả năng mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt khi quá trình này yêu cầu lắp ráp các tấm cực dương-âm chồng lên nhau một cách nhanh chóng, chính xác cao mà không làm hỏng vật liệu.

Thế nhưng Toyota cũng tuyên bố đã đạt được các thành quả tiến bộ trong khâu này. Nhóm nghiên cứu của hãng cho biết đủ tự tin để lắp ráp chồng các tấm cực dương-âm thể rắn lên nhau với tốc độ tương đương sản xuất ắc quy Lithium-ion thông thường hiện tại.

Giành lại ngôi vương

Theo FT, sự ra đời của pin thể rắn sẽ tác động cực kỳ sâu rộng đến tương lai của ngành ô tô nói chung và xe điện nói riêng.

Báo cáo của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) cho thấy Trung Quốc hiện đang có dấu hiệu thống trị ngành ắc quy cả về công nghệ lẫn sản lượng. Nền kinh tế này sản xuất đến 75% lượng ắc quy toàn cầu trong năm 2022.

Hiện hãng CATL-Trung Quốc đang là nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới với 37% thị phần toàn cầu.

Tập đoàn này là nhà sản xuất ắc quy có lợi nhuận cao nhất trong ngành và đang có lợi thế cực lớn nhờ chi phí sản xuất rẻ sau nhiều năm mở rộng quy mô cũng như đầu tư cho nghiên cứu phát triển.

Bởi vậy, tờ FT nhận định pin thể rắn là một phương án tiềm năng để các nhà sản xuất xe điện khác có thể đuổi kịp hoặc thậm chí vượt mặt được Trung Quốc.

Trên thực tế, Toyota không phải là hãng duy nhất đầu tư vào công nghệ này. Những cái tên như Nissan và Honda đều của Nhật Bản cũng có dự án nghiên cứu pin thể rắn.

Ngoài ra, ba tập đoàn ắc quy hàng đầu Hàn Quốc là LG Energy Solution, Samsung SDI và SK On đều đã tuyên bố kế hoạch nghiên cứu công nghệ pin thể rắn vào cuối thập niên 2020 này.

Hàng loạt những startup của Mỹ như QuantumScape và Solid Power, vốn là đối tác của Volkswagen hay BMW, đều có mục tiêu nghiên cứu tương tự.

Giáo sư Akitoshi Hayashi của trường đại học Osaka Metropolitan cho hay thách thức để đưa pin thể rắn vào sản xuất hàng loạt với chất lượng tương đương ắc quy Lithium-ion hiện nay là rất khó.

Tuy nhiên cũng chính vì thế mà khi vượt được qua thách thức đó, công nghệ pin thể rắn sẽ trở nên “bất khả chiến bại trên toàn cầu”.

“Pin thể rắn sẽ là chìa khóa để hồi sinh lại ngôi vương cho các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản, vốn đang bị chậm chân trong mảng xe điện và mất thị phần ngành ắc quy Lithium-ion toàn cầu dù là nơi khai sinh ra nó”, giáo sư Hayashi nhận định.

Một tác động nữa của công nghệ mới này là giảm phụ thuộc vào Trung Quốc khi nền kinh tế lớn thứ 2 thế giới siết chặt kiểm soát nguyên vật liệu.

Pin thể rắn có thể giảm sự phụ thuộc của ngành ắc quy vào than chì, vốn bị chính quyền Bắc Kinh siết chặt xuất khẩu vào tuần trước.

Không chịu ngồi yên

Tờ FT cho hay cả Trung Quốc và Hàn Quốc vẫn chưa có nhiều đột phá về công nghệ pin thể rắn, thậm chí là còn khá bi quan về hướng nghiên cứu này.

Nguồn tin thân cận của FT cho hay các nhà nghiên cứu tại CATL đã cố gắng trong nhiều thập niên để giải quyết công nghệ pin thể rắn nhưng chưa thành công.

Họ chưa thể tìm ra được cách đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt và do đó bày tỏ sự nghi ngờ về sự đột phá của Toyota.

Tương tự, các lãnh đạo ngành tại Hàn Quốc cũng không lạc quan lắm về công nghệ mới này.

“Phát triển công nghệ mới và thương mại hóa được chúng là 2 chuyện khác nhau. Toyota đã nói về công nghệ này trong hơn 10 năm nhưng vẫn chưa có sản phẩm nào ra mắt”, một giám đốc điều hành trong ngành tại Hàn Quốc nói.

Trên thực tế, phía Trung Quốc nhận thức rất rõ được tầm quan trọng của việc thống trị ngành ắc quy. Do đó nền kinh tế này cũng không chịu ngồi yên khi phát triển công nghệ ắc quy muối.

Hiện ô tô điện vẫn dùng ắc quy Lithium là chủ yếu nhưng nguyên liệu này khan hiếm, đắt đỏ và cực kỳ ô nhiễm môi trường.

Chuỗi cung ứng Lithium cũng trở thành vấn đề khi việc khai thác, vận chuyển một cách ổn định sẽ tốn nhiều chi phí.

Bởi vậy Trung Quốc đang tìm cách thay thế Lithium bằng muối (Sodium), nguyên liệu rẻ tiền hơn với mức giá chỉ bằng 1-3% so với Lithium mà kết cấu hóa học lại gần tương đương.

Thách thức

Quay trở lại pin thể rắn, tiềm năng là vậy nhưng công nghệ này cũng đang gặp nhiều thách thức.

Một số chuyên gia nghi ngờ về khả năng hạ giá thành sản xuất của pin thể rắn do công nghệ còn quá mới, chưa kể việc liệu có đưa vào sản xuất thương mại hàng loạt được hay không cũng là vấn đề.

Về lý thuyết, độ nhạy cực cao của pin thể rắn với độ ẩm và oxy có thể khiến chi phí sản xuất tăng cao, trong khi độ phức tạp của chúng có thể đòi hỏi phải thiết kế lại xe điện và làm gia tăng giá thành.

“Những khách hàng thử pin thể rắn hiện nay đều không bao giờ mua lại sản phẩm một lần nữa. Công nghệ này hiện đang bị thổi phồng thái quá”, chuyên gia phân tích Alex Brooks của Canaccord Genuity nhận định.

Trái lại, một số chuyên gia như Lee Kyung Sub, người đứng đầu bộ phận vật liệu pin của tập đoàn Posco-Hàn Quốc lại dự đoán với đà phát triển như hiện nay thì công nghệ mới này có thể chiếm khoảng 10% thị phần xe điện nói chung vào năm 2035.

Đích thân CEO Koji Sato của Toyota thì cho biết công nghệ mới này không thể quyết định được giá trị những chiếc xe của hãng.

“Công nghệ pin thể rắn sẽ là một yếu tố cực kỳ quan trọng trong việc xây dựng sức mạnh tổng thể của chúng tôi. Thế nhưng chỉ riêng ắc quy thôi thì không đủ đánh giá được giá trị những chiếc xe Toyota”, CEO Sato cho biết.

Mặc dù vậy, một số chuyên gia như giáo sư Shirley Meng của trường đại học Chicago cũng phải thừa nhận: “Bằng cách gia tăng phạm vi hoạt động và thời gian sạc, các hãng xe hơi Nhật Bản đang định hình lại tương lai của ngành vận tải.”

*Nguồn: FT, New York Times