Pin thể rắn: Công nghệ hứa hẹn nhưng còn rất xa mới có thể sản xuất hàng loạt

Kỳ vọng

Gần đây, một số nhà sản xuất pin hạng hai và hạng ba, cùng với các nhà sản xuất ô tô lớn như Chery, đã công bố những tiến triển mới trong hoạt động R&D, khơi dậy sự lạc quan về khả năng tồn tại trong tương lai của pin thể rắn.

Ngày 23 tháng 10, Sunwoda đã công bố ra mắt pin thể rắn "Xin Bixiao", với mật độ năng lượng đạt 400 Wh/kg. Để so sánh, pin lithium sắt phosphate (LFP) thông thường có mật độ năng lượng dao động từ 200–250 Wh/kg, trong khi pin lithium ba thành phần đạt khoảng 250–300 Wh/kg.

Loại pin mới này được cho là hoạt động trong dải nhiệt độ từ -30 đến 60 độ C và có vòng đời 1.200 tuần. Sunwoda cũng công bố kế hoạch hoàn thành dây chuyền thí điểm 0,2 Gwh/giờ cho pin thể rắn polymer vào cuối năm nay, đồng thời cho biết họ đã phát triển và thử nghiệm thành công "siêu pin" lithium kim loại 520 Wh/kg trong phòng thí nghiệm.

Chỉ vài ngày trước đó, vào ngày 18 tháng 10, Chery đã ra mắt Rhino S, mô-đun pin thể rắn hoàn toàn do chính công ty tự phát triển, với mật độ năng lượng 600 Wh/kg và phạm vi hoạt động dự kiến từ 1.200 đến 1.300 km sau khi lắp đặt trên xe. Chery đặt mục tiêu bắt đầu sản xuất hàng loạt vào năm 2027.

Sự thúc đẩy truyền thông kết hợp từ các nhà sản xuất pin và nhà sản xuất ô tô, cùng với các vụ cháy xe gần đây, đã đưa pin thể rắn trở lại tầm ngắm của công chúng.

Tuy nhiên, bất chấp sự chú ý mới, các chuyên gia vẫn thận trọng đưa ra nhận định về việc thương mại hóa quy mô lớn vẫn còn nhiều năm nữa.

Trong cuộc gọi báo cáo thu nhập vào tháng 7, Contemporary Amperex Technology (CATL) cho biết việc sản xuất hạn chế có thể bắt đầu vào năm 2027, với sản xuất hàng loạt có thể vào khoảng năm 2030.

Chủ tịch CATL, Robin Zeng, năm ngoái đã lưu ý rằng nếu mức độ trưởng thành của pin thể rắn được đánh giá trên thang điểm chín, thì ngành công nghiệp này hiện đang ở mức "bốn".

Sunwoda thậm chí còn thận trọng hơn. Tại sự kiện gần đây nhất, một giám đốc điều hành của công ty đã nhận xét rằng tuyên bố của các công ty Nhật Bản và Mỹ về việc công nghiệp hóa pin thể rắn hoàn toàn vào năm 2027 là quá lạc quan. Ông cho biết kịch bản tốt nhất sẽ chỉ thấy sản lượng hạn chế sau năm 2030.

Ngay cả Chery, công ty từng đặt mục tiêu sản xuất hàng loạt vào năm 2027, sau đó đã điều chỉnh kỳ vọng, thay vào đó hướng tới việc tung ra lô xe thử nghiệm đầu tiên trong năm đó.

Tại sao pin thể rắn vẫn bị mắc kẹt trong phòng thí nghiệm?

Chất điện phân lỏng thấm hoàn toàn vào điện cực, tạo thành các kênh ion liên tục. Ngược lại, chất điện phân rắn chỉ tiếp xúc bề mặt, làm suy yếu quá trình vận chuyển ion. Trong quá trình sạc và xả, cực dương giãn nở và co lại khi các ion lithium di chuyển, tạo ra các khe hở cực nhỏ làm gián đoạn quá trình dẫn điện.

Đây là lý do tại sao việc tìm kiếm vật liệu kết hợp mật độ năng lượng cao với tiếp xúc giao diện ổn định vẫn là một trong những mục tiêu khó khăn nhất trong nghiên cứu pin.

Thực tế, hầu hết các công ty hiện đang sử dụng vật liệu catốt bao gồm niken và mangan với tỷ lệ 9:1, tương tự như pin lithium ba thành phần niken cao. Do vật liệu niken cao đã được sử dụng rộng rãi trong pin lithium ba thành phần, các công ty như CATL có thể tận dụng chuyên môn kỹ thuật hiện có của mình trong lĩnh vực này để đẩy nhanh quá trình phát triển pin thể rắn.

Cuộc tranh luận về vật liệu điện phân thậm chí còn gây chia rẽ hơn.

Theo Zhu Xingbao, nhà khoa học trưởng tại Gotion High-tech, có sáu hướng kỹ thuật chính. Các chất điện phân đầu tiên, gốc polymer, dễ xử lý và tự phục hồi nhưng dẫn điện kém trừ khi được đun nóng đến 60–80 độ C.

Sau đó là chất điện phân gốc oxit, có độ ổn định và độ dẫn điện nhưng giòn và dễ bị nứt.

Hiện trọng tâm chính đã chuyển sang chất điện phân gốc sulfide, có độ dẫn điện ion ngang ngửa chất điện phân lỏng nhưng lại rất nhạy cảm với độ ẩm. Khi tiếp xúc với không khí, chúng phân hủy nhanh chóng và thải ra khí hydro sulfide. Các hướng thử nghiệm khác - halogenua, borohydride và chất điện phân màng mỏng cũng đang được nghiên cứu.

Một số người nguồn tin nói rằng mặc dù có độ dẫn điện vượt trội sulfide rất khó để mở rộng quy mô. Độc tính và độ nhạy cảm với không khí của chúng đòi hỏi môi trường sản xuất kín, chống ăn mòn và hoàn toàn tự động. Những điều kiện này khiến việc kiểm soát năng suất và tính nhất quán trở nên đặc biệt khó khăn.

Các nhà nghiên cứu cũng đang thử nghiệm các kỹ thuật sửa đổi giao diện. Theo Tân Hoa Xã, các nhà khoa học đã thử nghiệm việc bổ sung ion iốt vào chất điện phân để tạo thành một lớp giao diện giàu iốt, lấp đầy các khoảng trống cực nhỏ và cải thiện khả năng vận chuyển ion lithium. Tuy nhiên, một nhà phân tích lưu ý rằng iốt có xu hướng bị khử thành iốt nguyên tố, sau đó tích tụ tại giao diện, hạn chế hiệu quả lâu dài.

Ngoài chất điện phân, vật liệu anode cũng đặt ra một thách thức lớn khác.

Một kỹ sư tại một nhà sản xuất pin hàng đầu giải thích rằng mặc dù graphite có thể đóng vai trò là anode thể rắn, nhưng nó có mật độ năng lượng tương đối thấp. Do đó, hầu hết các nhà phát triển đều ưa chuộng anode silicon-carbon, kết hợp dung lượng cao của silicon với độ ổn định của graphite. Tuy nhiên, silicon giãn nở đáng kể trong quá trình đưa lithium-ion vào, khiến anode phồng lên và co lại sau mỗi chu kỳ - một quá trình làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin.

Rào cản về sản xuất và chi phí

Pan Ruijun, kỹ sư trưởng dự án pin thể rắn của Gotion, cho biết ít nhất 60% thiết bị cho dây chuyền thử nghiệm của công ty phải được xây dựng lại.

Bước khó khăn nhất là lớp phủ điện phân. Pin thể rắn đòi hỏi lớp phủ siêu mỏng, tạo màng chính xác và xử lý nhiệt độ cao mà không cần bộ tách. Theo Pan, điều này có nghĩa là các bộ tách phải được tạo ra hiệu quả thông qua lớp phủ và được nhúng giữa các điện cực, và chỉ riêng quá trình này có thể mất nhiều năm để hoàn thiện.

Do sản xuất pin thể rắn khác biệt rất nhiều so với sản xuất pin lithium thông thường, nhiều công ty coi pin bán rắn là một bước chuyển tiếp, tận dụng thiết bị hiện có đồng thời dần dần nâng cấp quy trình để đạt được khả năng hoàn toàn ở trạng thái rắn.

Tuy nhiên, sự phức tạp về mặt kỹ thuật chỉ là một phần của vấn đề.

Yang Hongxin, Chủ tịch của Svolt Energy Technology, đã phát biểu công khai rằng pin thể rắn hiện có giá cao gấp năm đến mười lần so với pin lithium lỏng. Do pin đã chiếm hơn 30% tổng chi phí của một chiếc xe điện, mức giá cao như vậy sẽ là rào cản đối với cả các nhà sản xuất ô tô và người tiêu dùng.

Cơ bản mô hình kinh doanh pin thể rắn vẫn chưa thực sự hiệu quả. Vậy tại sao công nghệ này vẫn tiếp tục thu hút nhiều sự chú ý mặc dù thời gian ra mắt còn khá xa?

Đối với các nhà sản xuất pin nhỏ hơn, đây là một cơ hội hiếm có để vượt qua các đối thủ sừng sỏ như CATL thông qua một sự thay đổi mô hình công nghệ. Đối với các nhà sản xuất ô tô, nó mang lại khả năng mặc cả lớn hơn với các nhà cung cấp chủ chốt. Còn đối với người tiêu dùng, một làn sóng các vụ cháy xe điện gần đây đã làm dấy lên lo ngại về an toàn của pin lỏng, khơi dậy hy vọng về một giải pháp thay thế an toàn hơn, mật độ cao hơn.

Nhưng giữa những kỳ vọng, một sự thật vẫn còn đó chưa giải quyết được: pin thể rắn vẫn là công nghệ của tương lai, một công nghệ có thể chưa được sản xuất hàng loạt ngay cả vào năm 2027.