Bất chấp dự đoán lạc quan, pin thể rắn có thể mất rất lâu mới được sản xuất hàng loạt

Pin thể rắn – nổi tiếng nhờ chất điện phân ổn định nhiệt và độ an toàn cao, được xem là dạng pin năng lượng tối ưu nhất, hứa hẹn tầm hoạt động và hiệu suất vượt trội. Tuy nhiên, dù được đầu tư trong nhiều năm, các rào cản kỹ thuật, sản xuất và chi phí vẫn khiến công nghệ này chỉ quanh quẩn trong phòng thí nghiệm, chưa thể tiến tới sản xuất hàng loạt, theo Kr Asia.

Gần đây, một số nhà sản xuất pin, cùng hãng ô tô như Chery, đã công bố tiến bộ mới trong nghiên cứu và phát triển, thắp lại hy vọng về khả năng thương mại hóa pin thể rắn trong tương lai.

Ngày 23/10, Sunwoda ra mắt dòng pin thể rắn “Xin Bixiao”, công bố mật độ năng lượng đạt 400 Wh/kg. Để so sánh, pin lithium sắt phosphate (LFP) thông thường đạt khoảng 200–250 Wh/kg, còn pin lithium ba thành phần (ternary lithium) ở mức 250–300 Wh/kg.

Loại pin mới này được cho là có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ –30°C đến 60°C, tuổi thọ chu kỳ lên tới 1.200 tuần. Sunwoda cũng thông báo sẽ hoàn thành dây chuyền thử nghiệm công suất 0,2 GWh cho tế bào pin thể rắn polymer vào cuối năm nay, đồng thời khẳng định đã phát triển và thử nghiệm thành công loại pin lithium kim loại “siêu năng lượng” đạt 520 Wh/kg trong phòng thí nghiệm.

Chỉ vài ngày trước đó, khoảng giữa tháng 10, Chery giới thiệu mô-đun pin thể rắn hoàn toàn do hãng tự phát triển, mang tên Rhino S. Loại pin này có mật độ năng lượng 600 Wh/kg và khi lắp lên xe, có thể di chuyển quãng đường 1.200–1.300 km. Chery đặt mục tiêu bắt đầu sản xuất hàng loạt vào năm 2027.

Công bố liên tiếp từ các hãng pin và nhà sản xuất ô tô, cộng hưởng với làn sóng quan tâm do các vụ cháy xe điện gần đây, đã đưa pin thể rắn trở lại tâm điểm chú ý của công chúng.

Tuy nhiên, dù được kỳ vọng lớn, giới chuyên gia vẫn tỏ ra thận trọng: quá trình thương mại hóa quy mô lớn của pin thể rắn vẫn còn cách xa nhiều năm nữa.

Trong buổi công bố kết quả kinh doanh tháng 7, nhà sản xuất pin hàng đầu thế giới CATL cho biết có thể sẽ bắt đầu sản xuất giới hạn vào năm 2027, nhưng sản xuất hàng loạt chỉ khả thi vào khoảng năm 2030. Chủ tịch CATL, ông Robin Zeng, từng nhận định rằng nếu mức độ hoàn thiện của công nghệ pin thể rắn được chấm theo thang điểm 9, thì ngành hiện mới ở mức “4”.

Sunwoda còn tỏ ra thận trọng hơn. Tại sự kiện gần nhất, đại diện công ty cho rằng tuyên bố của các doanh nghiệp Nhật Bản và Hoa Kỳ về việc công nghiệp hóa pin thể rắn hoàn toàn vào năm 2027 là quá lạc quan – trong kịch bản tốt nhất, sản xuất giới hạn có thể chỉ diễn ra sau năm 2030.

Ngay cả Chery, vốn từng đặt mục tiêu sản xuất hàng loạt vào năm 2027, cũng đã điều chỉnh kế hoạch, chuyển sang hướng thử nghiệm lô xe đầu tiên vào năm đó.

VÌ SAO PIN THỂ RẮN VẪN “MẮC KẸT” TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM?

Thách thức kỹ thuật cốt lõi nằm ở khả năng dẫn ion kém của chất điện phân rắn và điện trở cao tại điểm tiếp xúc rắn–rắn.

Trong pin điện phân lỏng, chất lỏng có thể thấm hoàn toàn vào điện cực, hình thành kênh dẫn ion liên tục. Ngược lại, điện phân rắn chỉ tiếp xúc bề mặt, khiến khả năng truyền ion yếu hơn. Trong quá trình sạc – xả, cực dương giãn nở và co lại khi ion lithium di chuyển, tạo ra khe hở siêu nhỏ làm gián đoạn quá trình dẫn điện. Vì thế, việc tìm ra vật liệu vừa có mật độ năng lượng cao, vừa đảm bảo tiếp xúc ổn định là một trong những mục tiêu khó khăn nhất của nghiên cứu pin hiện nay.

Một chuyên gia trong ngành chia sẻ với giới báo chí rằng hiện đa số công ty đang sử dụng vật liệu cathode có tỷ lệ nickel–mangan là 9:1, tương tự pin lithium ba thành phần hàm lượng nickel cao. Do các vật liệu này vốn đã ứng dụng rộng rãi trong pin lithium thông thường, các hãng như CATL có thể tận dụng kinh nghiệm sẵn có để đẩy nhanh nghiên cứu pin thể rắn.

CUỘC ĐUA VẬT LIỆU ĐIỆN PHÂN: POLYMER, OXIDE HAY SULFIDE?

Theo ông Zhu Xingbao, nhà khoa học trưởng Gotion High-tech, hiện có sáu hướng kỹ thuật chính cho chất điện phân.

Loại sớm nhất là điện phân polymer, dễ gia công và có khả năng “tự phục hồi”, nhưng độ dẫn ion thấp trừ khi được làm nóng ở 60-80°C. Tiếp đến là điện phân oxide, có độ ổn định và dẫn điện tốt hơn, song lại giòn và dễ nứt gãy.

Ngày nay, trọng tâm nghiên cứu đã chuyển sang điện phân sulfide, vốn có độ dẫn ion tương đương chất lỏng nhưng lại cực kỳ nhạy với độ ẩm. Khi tiếp xúc với không khí, chúng nhanh chóng suy giảm và phát ra khí hydrogen sulfide độc hại. Ngoài ra, hướng thử nghiệm khác như điện phân halide, borohydride hay màng mỏng cũng đang được khám phá.

Nhiều chuyên gia cho biết, dù sulfide có tính dẫn vượt trội, việc sản xuất hàng loạt lại rất khó khăn. Độ độc và tính nhạy với không khí đòi hỏi dây chuyền sản xuất khép kín, chống ăn mòn và tự động hóa hoàn toàn. Những điều kiện này khiến việc kiểm soát chất lượng và tính đồng nhất sản phẩm trở nên phức tạp hơn.

Các nhà nghiên cứu cũng thử nghiệm kỹ thuật cải thiện bề mặt tiếp xúc. Theo Tân Hoa Xã, một nhóm khoa học thêm ion iốt vào điện phân để hình thành lớp giao diện giàu iốt, giúp lấp đầy khe hở siêu nhỏ và cải thiện khả năng vận chuyển ion lithium. Tuy nhiên, một nhà phân tích cảnh báo rằng iốt dễ bị khử thành iốt nguyên tố, tích tụ tại giao diện và làm giảm hiệu quả lâu dài.

BÀI TOÁN SẢN XUẤT

Ngoài điện phân, vật liệu cực dương (anode) cũng là vấn đề lớn.

Một kỹ sư của hãng sản xuất pin hàng đầu cho biết, graphite có thể được dùng làm anode trong pin thể rắn, nhưng mật độ năng lượng thấp. Do đó, hầu hết nhà phát triển chuyển sang anode silicon-carbon, kết hợp dung lượng cao của silicon với độ ổn định của graphite. Tuy nhiên, silicon giãn nở mạnh khi hấp thụ ion lithium, khiến cực dương phồng lên và co lại sau mỗi chu kỳ sạc – xả, rút ngắn tuổi thọ pin đáng kể.

Theo ông Zhu của Gotion, việc chuyển từ pin điện phân lỏng sang pin bán thể rắn (semi-solid) chỉ cần điều chỉnh khoảng 3–5% dây chuyền hiện có, nhưng với pin thể rắn hoàn toàn, sự thay đổi phải toàn diện hơn. Ông Pan Ruijun – kỹ sư trưởng dự án pin thể rắn của Gotion, cho biết ít nhất 60% thiết bị của dây chuyền thử nghiệm phải thiết kế lại.

Khâu khó nhất là phủ điện phân: pin thể rắn đòi hỏi lớp phủ cực mỏng, tạo màng chính xác và xử lý ở nhiệt độ cao mà không dùng màng ngăn truyền thống. Nói cách khác, màng ngăn phải được hình thành trực tiếp trong quá trình phủ, riêng công đoạn này có thể mất nhiều năm để hoàn thiện.

Chính vì vậy, nhiều công ty xem pin bán thể rắn như bước chuyển tiếp, tận dụng được thiết bị hiện tại đồng thời nâng cấp dần quy trình, chuẩn bị cho sản xuất pin thể rắn hoàn toàn trong tương lai.

BÀI TOÁN CHI PHÍ VÀ TRIỂN VỌNG DÀI HẠN

Song, độ phức tạp kỹ thuật không phải là rào cản duy nhất.

Ông Yang Hongxin, Chủ tịch Svolt Energy Technology, cho biết hiện tại chi phí sản xuất pin thể rắn hoàn toàn cao gấp 5-10 lần so với pin lithium lỏng. Trong khi pin đã chiếm hơn 30% tổng giá thành xe điện, mức chênh lệch này là quá lớn đối với cả nhà sản xuất lẫn người tiêu dùng.

Nói cách khác, mô hình kinh doanh cho pin thể rắn vẫn chưa thực sự khả thi. Vậy tại sao công nghệ này vẫn thu hút sự chú ý lớn đến vậy, dù triển vọng thương mại hóa còn xa?

Với hãng pin nhỏ hơn, đây là cơ hội hiếm hoi để vượt lên những “ông lớn” như CATL thông qua bước nhảy công nghệ. Với hãng ô tô, pin thể rắn mang lại khả năng tăng quyền thương lượng trước nhà cung ứng chi phối thị trường. Còn với người tiêu dùng, hàng loạt vụ cháy xe điện gần đây khiến mối lo về độ an toàn của pin lỏng quay trở lại, thắp lên kỳ vọng về giải pháp an toàn và có mật độ năng lượng cao hơn.

Tuy nhiên, giữa làn sóng kỳ vọng đó, có một sự thật không thay đổi: pin thể rắn vẫn là công nghệ của tương lai và chưa thể sản xuất đại trà ngay cả khi bước sang năm 2027.