Tan chảy trong bàn tay, thứ kim loại hiếm có trong tự nhiên này nắm giữ 'trái tim' xe điện, Mỹ ráo riết tìm nhà bán

Là một kim loại không tồn tại tự do trong tự nhiên, Gali hiện là một trong những mục tiêu mà Mỹ đang tìm nguồn cung cấp. Gali thường được tìm thấy ở dạng sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất nhôm và kẽm.

Ước tính, Gali chỉ chiếm khoảng 0,0019% ở vỏ Trái Đất, nhưng đang dần có vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày, khi được sử dụng làm chất bán dẫn, và là bí mật trong công nghệ giúp xe điện sạc nhanh hơn.

Xe điện tăng tốc, Lầu Năm Góc để mắt

Năm 2022, Tổng thống Mỹ Joe Biden đã ký ban hành Đạo luật Giảm Lạm phát (Inflation Reduction Act - IRA), tập trung vào việc thúc đẩy nước Mỹ chuyển đổi giao thông sang sử dụng phương tiện xanh - cụ thể là xe điện.

Đạo luật này đưa ra mức hỗ trợ mua xe điện cho người dân, hấp dẫn đến nỗi các hãng xe và nhiều nhà cung cấp linh kiện xe đã lên kế hoạch mở nhà máy tại Mỹ. Mục tiêu của đạo luật này khá rõ ràng: Nước Mỹ muốn thúc đẩy khai khoáng, sản xuất và thành lập chuỗi cung ứng ở ngay Bắc Mỹ.

Xe điện sản xuất tại Mỹ là một điều kiện để được hưởng ưu đãi thuế theo đạo luật IRA.

Trên thực tế, đạo luật này không đơn thuần là đang giúp đỡ các hãng xe đang và sẽ có nhà máy tại Mỹ như VinFast, Ford, Tesla hay Hyundai, đạo luật này còn trùng khớp với kế hoạch mở rộng nguồn cung các nguyên liệu thiết yếu cho chiến đấu cơ, xe tăng hay tên lửa của Lầu Năm Góc.

Trong thời gian đại dịch diễn ra, chuỗi cung ứng trên toàn cầu đứt gãy nhiều nơi khiến sản xuất gián đoạn. Nước Mỹ muốn nguồn cung của các vật liệu như đất hiếm phải ổn định hơn. Đất hiếm, như Ceri, Gali, Lantan, Praseodymi... đều là những kim loại mà xe điện cần.

Praseodymi là một chất rất cần thiết trong việc sản xuất ra nam châm có trọng lượng nhẹ để sản xuất môtơ điều chỉnh cửa kính và điều khiển cần gạt nước ô tô. Nhưng Praseodymi, cùng với magiê, cũng là một chất cần thiết để luyện ra loại hợp kim có độ cứng cao, sử dụng làm động cơ máy bay.

Gali, thứ kim loại ánh bạc không tồn tại tự do trong tự nhiên, thời gian gần đây cũng đã trở thành của quý trong sản xuất xe điện. Gali được nhận định sẽ là một vật liệu mang tính cách mạng cho công nghệ xe điện, khi chất bán dẫn Gali Nitrit (GaN) giúp xe điện sạc nhanh hơn. Đồng thời, Gali Nitrit cũng là nguyên liệu làm nam châm vĩnh cửu, sử dụng để chế tạo tên lửa có điều hướng.

Vấn đề khó là Mỹ hiện không phải quốc gia sản xuất chính Gali. Nhiều tài liệu cho rằng Trung Quốc đang cung cấp gần như toàn bộ Gali trên toàn cầu, nhưng một số tài liệu khác cũng cho rằng Gali đang đến từ các quốc gia như Úc, Pháp, Đức, Nga.

Hiện tại, Bộ Quốc phòng Mỹ đang thảo luận để lập ra danh sách những khoáng chất mà Mỹ cần mua ngoài, và cần tạo lập các nguồn cung mới.

Thứ kim loại tan chảy trong bàn tay người

Gali có nhiệt độ nóng chảy thấp.

Gali là một thứ kim loại khá thú vị. Ta không thể tìm thấy Gali nguyên chất trong tự nhiên, và cũng không thể tìm thấy với số lượng đáng kể trong bất cứ khoáng chất nào. Gali tồn tại trong nhiều hỗn hợp, như quặng kẽm và bô xít.

Gali có thể được sản xuất một cách dễ dàng bằng cách nung chảy quặng, nhưng hầu hết Gali công nghiệp là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất nhôm và kẽm. Gali có nhiệt độ nóng chảy ở 29^oC nên hoàn toàn có thể tan chảy ngay trong bàn tay người.

Pin mặt trời trên xe thám hiểm sao Hỏa của NASA có sử dụng Gali. Ảnh: NASA

Trên thực tế, 95% lượng Gali được sản xuất đều được sử dụng để làm Gali Arsenit (GaAs), có thể ứng dụng làm chất bán dẫn hay đèn LED màu xanh dương và tím. Gali Arsenit cũng có thể được sử dụng để tạo ra tia laser trực tiếp từ điện, và sử dụng trong pin năng lượng mặt trời - như loại sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe thám hiểm sao Hỏa Mars Exploration Rover của NASA.

Gali Nitrit (GaN) có thể được sử dụng làm chất bán dẫn trong công nghệ đầu đọc đĩa, điện thoại di động hay các nút cảm ứng lực. Gali cũng được ứng dụng để điều trị ung thư, tăng canxi máu, hay một số bệnh truyền nhiễm. Tuy tương đối an toàn để cầm giữ trên tay nhưng nếu tiếp xúc quá nhiều với Gali có thể gây đau tức ngực, hoặc các triệu chứng nặng hơn.

Nắm giữ 'trái tim' xe điện

Ngoài được sử dụng để níu giữ mạng sống con người, Gali còn đang được ứng dụng trong công nghệ pin. Như đã giới thiệu ở trên, Gali Nitrit là một chất bán dẫn, tức là vừa có thể làm chất dẫn điện, vừa làm chất cách điện, tùy điều kiện. Trên xe điện, Gali Nitrit được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều mà động cơ điện sử dụng, và dòng điện một chiều mà bộ pin cung cấp, hoặc sử dụng để điều chỉnh hiệu điện thế - ví dụ từ hiệu điện thế 240 vôn ở sạc cấp độ 2 lên 400 hoặc 800 vôn cho bộ pin, hoặc xuống 12 vôn cho bóng đèn, sưởi ghế...

Bộ sạc tại nhà có tốc độ sạc thấp hơn nhiều so với sạc công cộng. Ảnh: RACV

Theo nghiên cứu, các thiết bị điện tử dân dụng sử dụng chất bán dẫn Gali Nitrit (GaN) có thời gian sạc nhanh hơn rất nhiều. Chất bán dẫn Gali Nitrit có thể hoạt động nhanh hơn 20 lần so với chất bán dẫn silicon, có thể truyền dẫn dòng điện lớn hơn 3 lần, giúp sạc nhanh hơn gấp 3 mà có kích thước và khối lượng bằng một nửa.

Công nghệ này vẫn còn nhiều điều cần nghiên cứu và chưa ứng dụng rộng rãi vì còn đắt, và cần phải thiết kế lại hoàn toàn hệ thống sạc để phù hợp với chíp bán dẫn sử dụng Gali Nitrit.

Theo chia sẻ của ông Gene Sheridan, CEO của công ty công nghệ sạc siêu nhanh Navitas Semiconductor: "Hiện giờ [chíp bán dẫn Gali Nitrit] đắt hơn khoảng 10% đến 20%. Đó là một con chíp mạnh. Nhưng để sử dụng hiệu quả, thì bạn sẽ phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống điện liên quan đến con chíp đó, và cần đến nhiều kỹ năng khác".

Navitas Semiconductor hiện đang phát triển bộ sạc xe điện tại nhà, vốn có tốc độ sạc chậm hơn rất nhiều so với các trạm sạc công cộng. Tuy nhiên, sẽ mất nhiều năm để Navitas thực hiện được điều này. CEO Gene Sheridan cho biết rằng ta không thể cứ thế áp dụng lên một chiếc xe nào đó ngoài. Theo kế hoạch, có thể phải tới năm 2025 hoặc hơn thì một chiếc xe điện dùng chíp bán dẫn Gali Nitrit mới được bán ra.