Tranh cãi về tiềm năng của công nghệ pin thể rắn và bán rắn

Pin thể rắn chưa phải tối ưu?

Từ lâu được coi là “chén thánh” cho xe điện, các nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp đang chi mạnh tay cho công nghệ pin thể rắn được kỳ vọng sẽ cải thiện phạm vi hoạt động, tốc độ sạc và độ an toàn.

Nhưng những người khác đã phát hiện ra một biến thể – pin bán rắn – mang lại lợi ích gần như tương tự nhưng có ưu điểm hơn.

Pin bán rắn có một lượng nhỏ chất lỏng hoặc gel cho phép khuếch tán nhanh các ion - hoặc nguyên tử có điện tích - để sạc và xả pin EV. Nó có ít chất lỏng hơn nhiều so với pin lithium ion truyền thống.

Max Reid, nhà phân tích tại Wood Mackenzie, một công ty tư vấn và nghiên cứu năng lượng, cho biết: “Pin bán rắn không phải là một giấc mơ viển vông. Nó sắp đến gần, khả thi và có nhiều lợi ích của trạng thái rắn hoàn toàn”.

Cả hai đều được thiết kế để tăng lượng năng lượng được lưu trữ trong pin. Mục tiêu là cho phép các ion lithium di chuyển nhanh chóng giữa cực dương (điện cực âm) và cực âm (điện cực dương).

Các tế bào pin EV ngày nay chứa đầy chất điện phân lỏng di chuyển các ion qua một lớp phân cách xốp giữa cực dương và cực âm.

Richard Laine, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Michigan, nói pin thể rắn thường sử dụng bộ phân tách điện phân rắn và yêu cầu sự gắn kết và chuyển động gần như hoàn hảo của các ion giữa cực dương và cực âm. Ngược lại, pin bán rắn chứa một lượng nhỏ chất lỏng hoặc gel để chuyển các ion dễ dàng hơn.

Các nhà phân tích cho rằng chưa có công ty pin nào thương mại hóa công nghệ này cho thị trường Mỹ. Nhiều người đang cố gắng. Tất cả đều muốn những loại pin chứa được nhiều năng lượng hơn, sạc nhanh hơn và an toàn hơn các loại pin hiện nay.

Các công ty khởi nghiệp như Factorial Energy, StoreDot, SES AI, Lyten, QuantumScape và các công ty khác đang phát triển pin với một lượng nhỏ chất lỏng hoặc gel. Họ nhận được sự ủng hộ từ các nhà sản xuất ô tô lớn, bao gồm General Motors, Volkswagen, Honda và Hyundai.

SK On, Samsung SDI và Toyota đều đang phát triển pin rắn với chất điện phân gốm hoặc polymer, thay vì chất lỏng hoặc gel. Toyota có kế hoạch tung ra thị trường loại pin Idemitsu Kosan vào năm 2028. Startup Solid Power đang nghiên cứu loại pin rắn với chất điện phân dạng bột.

Mặc dù việc phát triển pin rất phức tạp nhưng một số công ty đang đạt được thành công trong thử nghiệm và gửi mẫu cho khách hàng là các nhà sản xuất ô tô.

Conrad Layson, nhà phân tích động cơ đẩy thay thế tại AutoForecast Solutions, cho biết cốt lõi của sự phát triển trạng thái rắn của nhiều công ty là lithium, cho phép pin và bộ pin đạt được mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với những gì họ có hiện nay.

Các chuyên gia nhận định cả công nghệ pin bán rắn và bán rắn đều có khả năng an toàn hơn pin lithium ion trong xe điện ngày nay vì chúng loại bỏ hoặc giảm bớt chất điện phân lỏng dễ cháy. Và chúng có mật độ năng lượng cao hơn, có thể dẫn đến phạm vi hoạt động xa hơn.

Nhưng những tiến bộ trong công nghệ bán rắn đặt ra câu hỏi liệu pin thể rắn có còn là mục tiêu cuối cùng của ngành hay không.

Một báo cáo cho biết giá pin giảm có nghĩa là hơn 60% doanh số bán ô tô toàn cầu có thể là xe điện vào năm 2030.

Nguyên nhân thất bại

Một vài năm trước, công ty pin StoreDot của Israel đã nhìn thấy những kết quả đầy hứa hẹn của pin thể rắn trong phòng thí nghiệm thử nghiệm của mình. Nhưng thành công trong ngắn hạn chỉ là mơ tưởng, CEO Doron Myersdorf cho biết. Ông cũng tin rằng pin thể rắn sẽ được thương mại hóa ít nhất một thập kỷ nữa.

“Tôi có 10 tiến sĩ ở đây đang làm việc về pin thể rắn và mỗi lần chúng tôi cố gắng sạc nhanh nó, chúng tôi đều gặp những vấn đề lớn về an toàn do lithium có khả năng phản ứng cao. Nhìn chung, không có bước đột phá nào về hiệu suất của pin so với các chất hóa học bán rắn”, CEO Doron Myersdorf nói.

Hiện StoreDot đang tập trung vào loại pin bán rắn cho phép sạc cực nhanh. Lần lặp lại pin đầu tiên của nó, dự kiến vào năm 2024, dự kiến sẽ sạc được ít nhất 100 dặm (62 km) trong 5 phút.

Giám đốc điều hành Qichao Hu cho biết công ty khởi nghiệp pin SES coi trạng thái rắn là ngõ cụt khi phát hiện ra những hạn chế trong quá trình sản xuất và hoạt động của pin kim loại lithium rắn.

Công ty đã chuyển hướng sang kim loại lithium lỏng. Hu cho hay, phiên bản lỏng dễ chế tạo hơn, rẻ hơn và nhanh hơn so với kim loại lithium hoàn toàn rắn và nó có thể cung cấp mật độ năng lượng cao hơn các tế bào lithium ion ngày nay. Lithium, dù ở dạng rắn hay lỏng, đều là chìa khóa để mở khóa hiệu suất và độ an toàn của pin cũng như giảm chi phí.

"Các công ty ô tô không thực sự quan tâm liệu ắc quy trong xe ở dạng rắn hoặc lỏng. Điều họ quan tâm là phạm vi hoạt động, độ an toàn, hiệu suất và chi phí", ông nói.

Tuy nhiên, tiềm năng tăng năng lượng khiến công nghệ thể rắn trở nên hấp dẫn đối với một số người.

Một tế bào lithium-lưu huỳnh chứa một lượng nhỏ chất lỏng có thể đạt được 600 watt-giờ/kg, gần gấp đôi mức trung bình của một tế bào lithium ion. Nhưng pin thể rắn có thể đạt tới 1.000 watt/kg, Celina Mikolajczak, giám đốc công nghệ pin của Lyten, một công ty sử dụng hóa chất lithium-lưu huỳnh, đang phát triển pin thể rắn cho biết, chỉ riêng mật độ năng lượng đã khiến trạng thái rắn trở thành mục tiêu, nhưng trọng tâm chính của Lyten là bán rắn vì nó nằm trong tầm tay.

QuantumScape, công ty đang phát triển một loại pin có dải phân cách rắn, cực dương kim loại lithium và một số chất lỏng ở cực âm, đang xem xét sử dụng pin ở trạng thái rắn, nhưng ưu tiên của họ là tung ra tế bào bán rắn vì "nó vẫn có sự khác biệt mạnh mẽ so với những gì hiện có ở ngoài kia ngày hôm nay”.

Làm chủ sản xuất

Các nhà phát triển pin thúc đẩy tế bào bán rắn nhận thấy lợi thế trong khoản đầu tư 140 tỷ USD của Mỹ cho các nhà máy pin EV và pin lithium ion. Mặc dù pin bán rắn chứa ít chất lỏng hơn pin lithium ion ngày nay nhưng quy trình sản xuất và thiết bị phần lớn giống nhau.

Siyu Huang, Giám đốc điều hành của Factorial Energy cho biết, các nhà sản xuất có thể sử dụng các nhà máy hiện có, đẩy nhanh tốc độ đưa pin bán rắn ra thị trường và khiến chúng có giá cạnh tranh với các loại pin hiện nay.

Các nhà phân tích cho rằng việc trang bị thêm dây chuyền sản xuất pin lithium ion có thể gây tốn kém chi phí cho pin rắn vì dây chuyền sản xuất sẽ cần phải được thay thế.

Myersdorf của StoreDot nói: “Nếu có bất kỳ giải pháp nào bạn muốn triển khai trong 5 năm tới, thì giải pháp đó phải sử dụng các nhà máy như hiện tại”.

Các công ty pin và nhà phân tích kỳ vọng sự kết hợp giữa pin bán rắn và thể rắn sẽ ra mắt vào cuối những năm 2020 và được áp dụng rộng rãi vào đầu những năm 2030. Huang cho biết, dù rắn hay bán rắn, công nghệ pin tiên tiến đều có thể thay đổi ngành công nghiệp. Bà nói: “Ngành công nghiệp pin đã chờ đợi sự gián đoạn trong 20 năm. Chúng tôi muốn công nghệ này thay đổi thế giới. Đó là tầm nhìn cơ bản của công ty này. Vấn đề thực sự là về thời điểm và cách thức chúng tôi có thể thực hiện điều đó”.