Pin thể rắn có thể biến đổi phương tiện giao thông toàn cầu như thế nào?

Cuộc cách mạng

Năm 1992, Sony đã mở ra một cuộc cách mạng về thiết bị điện tử cầm tay. Tận dụng hàng thập kỷ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về pin lithium-ion, công ty Nhật Bản đã có thể giới thiệu những sản phẩm như điện thoại di động và máy quay video cầm tay thay đổi cuộc sống của hàng tỷ người tiêu dùng.

Pin hiện đang củng cố nhiệm vụ to lớn là cải tổ hệ thống năng lượng và giao thông toàn cầu nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Trong khi chi phí sản xuất pin lithium-ion đã giảm mạnh, giúp doanh số bán ô tô điện tăng vọt trong những năm gần đây thì bản chất cơ bản của công nghệ này vẫn ít thay đổi kể từ khi được thương mại hóa.

Tuy nhiên, sau ba thập kỷ tối ưu hóa dần dần, quan điểm chính thống đó có thể sớm bị thay đổi. Toyota, nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới, trong những tuần gần đây đã cho biết rằng họ sắp đạt được bước đột phá trong sản xuất cho một công nghệ có khả năng thay đổi cuộc chơi: pin thể rắn. Sự cường điệu đã được xây dựng kể từ hàng loạt thông báo về công nghệ thế hệ tiếp theo của nhà sản xuất ô tô Nhật Bản vào tháng 6. Vốn hóa thị trường của nó đã tăng 26 tỷ USD kể từ đó.

Nếu thành công, Toyota có thể bắt đầu bán những chiếc xe điện an toàn hơn, có thể sạc nhanh hơn và có thể lái được 1.200 km chỉ sau một lần sạc – gấp đôi mức trung bình hiện tại của công ty – sớm nhất là vào năm 2027.

Peter Bruce, đồng sáng lập và nhà khoa học trưởng của Viện Faraday, một viện nghiên cứu pin của Anh, cho biết: “Một cuộc đua đang diễn ra trên toàn thế giới để thành công trong lĩnh vực pin thể rắn. Nếu Toyota hoặc bất kỳ ai khác thành công trong việc chế tạo pin thể rắn có chi phí cạnh tranh và mang lại tuổi thọ cần thiết, thì họ có thể tăng mật độ năng lượng và sạc trong 10 phút. Nếu họ đạt được những số liệu đó, nó sẽ thực sự một là cuộc nổi loạn”.

Nếu công nghệ này được giới thiệu thành công, tác động có thể rất lớn. Nó sẽ làm rung chuyển ngành công nghiệp ô tô nơi doanh số bán xe điện và pin hiện đang bị thống trị bởi Tesla, BYD và CATL của Trung Quốc. Nó sẽ có những tác động địa chính trị do phương Tây lo lắng về sự thống trị hiện tại của Trung Quốc về pin và nguyên liệu thô của chúng và nó có thể mở ra cơ hội ứng dụng pin vào các lĩnh vực giao thông mới như hàng không.

Một số nhà quan sát tin rằng sự thay đổi có thể cũng quan trọng như sự thay đổi từ điện thoại cố định và điện thoại cố định sang điện thoại di động.

Sự hoài nghi

Xe vận chuyển tại nhà máy CATL. Các nhà nghiên cứu tại nhà sản xuất đã làm việc để bẻ khóa pin thể rắn trong thập kỷ qua.

Nhưng công nghệ pin thể rắn không phải là không có những hoài nghi. Các nhà phê bình hỏi liệu các vấn đề khoa học cơ bản đã được giải quyết hay chưa, trong khi những người khác đặt câu hỏi liệu việc sản xuất số lượng lớn, tốc độ cao có thể thực hiện được hay không, hoặc liệu có tồn tại một thị trường lớn hay không.

“Sự phấn khích xung quanh pin thể rắn cho thấy bộ giải pháp hiện có là không đủ tốt. Điều đó hiển nhiên là không đúng sự thật”. Alex Brooks, nhà phân tích tại Canaccord Genuity, cho biết doanh số bán hàng đang tăng từ 20 đến 30% mỗi năm và hầu hết những người thử chúng đều nói rằng họ sẽ không bao giờ quay trở lại. “Hiện tại nó là một dự án nghiên cứu được quảng cáo rầm rộ”.

Tuyên bố mới nhất của Toyota về bước đột phá đã đặt ra câu hỏi về việc liệu pin thể rắn sẽ sớm đóng góp lớn vào việc khử carbon trong hệ thống giao thông toàn cầu. Venkat Srinivasan, giám đốc Trung tâm Hợp tác Khoa học Lưu trữ Năng lượng Argonne, một phòng thí nghiệm được chính phủ Mỹ tài trợ, gọi chúng là “chén thánh” của ngành công nghiệp pin về lâu dài.

“Nhưng liệu những đổi mới thú vị ở quy mô phòng thí nghiệm này vẫn còn một chặng đường lớn phải vượt qua trước khi chúng có thể được sản xuất hay thứ gì đó có thể sớm được sản xuất ở quy mô lớn?” Venkat Srinivasan đặt dấu hỏi. “Tôi vẫn đang băn khoăn với điều đó”.

Nền tảng vững chắc

Tất cả pin đều hoạt động theo cùng một nguyên lý: một dòng nguyên tử tích điện được gọi là ion chảy qua vật liệu hóa học gọi là chất điện phân từ cực dương đến cực âm, hai điện cực của tế bào, tạo ra dòng điện trong quá trình này.

Pin thể rắn khác với pin lithium-ion hiện tại ở chỗ chất điện phân ở dạng rắn thay vì chất lỏng. Các vật liệu khác nhau, bao gồm polymer, oxit và sunfua, đang được thử nghiệm làm chất điện phân tiềm năng. Ô tô sử dụng pin thể rắn sẽ an toàn hơn nhiều vì chất điện phân lỏng có thể có nhiều nguy cơ cháy nổ hơn.

Việc tự thay đổi chất điện phân không nhất thiết dẫn đến sự thay đổi từng bước về hiệu suất của pin. Sự phấn khích thực sự xoay quanh sự phát triển công nghệ mà nó có thể mang lại: cực dương kim loại lithium. Việc thay thế than chì được sử dụng trong các cực dương hiện tại sẽ giúp tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của pin, một phần vì nó sẽ nhẹ hơn.

Nhưng pin thể rắn đã phải đối mặt với những thách thức công nghệ cơ bản lâu dài. Một là khó khăn trong việc duy trì hiệu suất của pin và tránh hỏng hóc do việc sạc và xả nhiều lần gây ra sự hình thành các sợi nhánh, cụm lithium, có thể dẫn đến nứt. Một thách thức khác là tạo ra sự tiếp xúc ổn định giữa các vật liệu rắn.

“Bước đột phá” đầu tiên, được Toyota tuyên bố vào tháng 6 vừa qua, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật về độ bền, mặc dù vẫn còn rất ít thông tin chi tiết về loại vật liệu nào đã dẫn đến bước đột phá này. Tuần trước, họ tuyên bố hợp tác với tập đoàn hóa dầu Idemitsu Kosan để cùng phát triển và sản xuất chất điện phân sunfua mà công ty cho rằng sẽ là chìa khóa để thương mại hóa trong vòng 5 năm.

Shunichi Kito, giám đốc điều hành của Idemitsu cho biết tại cuộc họp báo chung với Toyota: “Chúng tôi tin tưởng rằng chất điện phân rắn gốc sunfua là giải pháp hứa hẹn nhất cho các vấn đề về pin EV như phạm vi di chuyển và thời gian sạc”.

Các nhà khoa học ngày càng đồng ý rằng những thách thức công nghệ cơ bản dường như không còn là không thể vượt qua. Điều đó đặt ra thách thức tiếp theo là mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt. Quá trình lắp ráp đặt ra một trong những trở ngại lớn nhất vì các lớp tế bào cực âm-cực dương cần được xếp chồng lên nhau nhanh chóng và có độ chính xác cao mà không làm hỏng vật liệu.

Các kỹ sư của Toyota cũng đã tuyên bố có những tiến bộ ở đây. Nhóm hiện ngày càng tự tin rằng họ có thể xếp chồng các tế bào với tốc độ tương đương với pin lithium-ion hiện tại.

Tuy nhiên, những rào cản kỹ thuật khác cần phải được giải quyết để đạt được sản xuất hàng loạt quy mô lớn. Một trong những kỹ sư của công ty cho biết trong chuyến tham quan nhà máy vào tháng trước: “Chúng tôi vẫn cần một bước đột phá trong việc đảm bảo số lượng và chất lượng của vật liệu pin”.

Tác động toàn cầu

Sự ra đời của pin thể rắn có thể có tác động sâu sắc đến tương lai của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, hiện tại, Trung Quốc có tiềm năng thống trị giai đoạn tiếp theo của ngành vì nước này dẫn đầu cả về công nghệ và sản xuất pin: nước này sản xuất hơn 75% pin trên toàn cầu vào năm ngoái”.

CATL cho đến nay là nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới, chiếm 37% thị phần. Công ty có trụ sở tại Ningde là nhà sản xuất pin có lợi nhuận cao nhất và có lợi thế về chi phí đáng kể, một phần nhờ quy mô và sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển.

Pin thể rắn có thể là cách duy nhất để vượt qua Bắc Kinh trong cuộc đua pin. Toyota không phải là công ty duy nhất đầu tư vào công nghệ này. Nissan và Honda có chương trình riêng của họ. Ba nhà sản xuất pin hàng đầu của Hàn Quốc – LG Energy Solution, Samsung SDI và SK On – đều đã tuyên bố ý định phát triển loại pin này vào cuối những năm 2020. Các công ty khởi nghiệp của Mỹ là QuantumScape và Solid Power, đối tác của Volkswagen và BMW, đều có mục tiêu thương mại hóa tương tự cho các công nghệ của riêng họ.

Akitoshi Hayashi, giáo sư tại Đại học Osaka Metropolitan, cho biết sẽ “cực kỳ thách thức” để sản xuất hàng loạt pin thể rắn với chất lượng tương đương với pin lithium-ion hiện tại, nhưng nếu đạt được, công nghệ này sẽ “không thể cạnh tranh được trên toàn cầu”.

Ông cho biết thêm: “Pin thể rắn sẽ là chìa khóa cho sự hồi sinh của các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản, vốn đang đi sau trong chiến lược xe điện và đối với Nhật Bản, quốc gia đã mất thị phần thế giới về pin lithium-ion”.

Trung Quốc cũng kiểm soát việc xử lý nguyên liệu thô của pin. Pin thể rắn có thể giảm bớt một số lỗ hổng nhất định, chẳng hạn như sự phụ thuộc hiện nay vào than chì, thứ mà Bắc Kinh đã đặt ra hạn chế xuất khẩu vào tuần trước. Nhưng chúng sẽ không làm được gì nhiều để giảm bớt tình trạng thiếu hụt lithium đã được dự báo vì chúng sẽ tiêu thụ nhiều hơn cả pin hiện tại.

Các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp ở Trung Quốc và Hàn Quốc dường như ít lạc quan hơn về việc pin thể rắn đạt được lời hứa của họ. Theo một người thân cận với CATL, các nhà nghiên cứu của tập đoàn Trung Quốc này đã làm việc trong thập kỷ qua để “bẻ khóa” pin thể rắn. Họ vẫn chưa tìm ra một hệ thống tiết kiệm chi phí để sản xuất hàng loạt và trong nội bộ CATL vẫn nghi ngờ liệu Toyota đã đạt được điều này hay chưa.

Các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp Hàn Quốc đồng tình. Một giám đốc điều hành cho biết: “Phát triển một sản phẩm và thương mại hóa nó là hai vấn đề khác nhau”.

Toyota thì đã nói về việc sản xuất hàng loạt pin thể rắn trong hơn 10 năm nhưng họ liên tục trì hoãn thời gian”.

Trở ngại sản xuất

Ngay cả khi những thách thức về công nghệ và mở rộng quy mô có thể được khắc phục, vẫn chưa rõ liệu pin thể rắn có thể giảm chi phí sản xuất kịp thời để đẩy nhanh quá trình triển khai xe điện trên toàn cầu hay không.

Tính kinh tế nhờ quy mô sẽ giúp giảm chi phí. Nhưng hiệu suất và giá thành của pin lithium-ion hiện tại cũng không ngừng được cải thiện khi các công nghệ khác như cực dương silicon có những tiến bộ. 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 đắt tiền.

Nếu chi phí không giảm đủ thì pin thể rắn có thể sẽ chỉ được sử dụng cho ô tô hạng sang hoặc xe tải. Kim Dong-myung, người đứng đầu bộ phận pin ô tô tiên tiến của LGES Hàn Quốc, cho biết việc sản xuất chúng “quá tốn kém” và sẽ có “những ứng dụng rất hạn chế”. Lee Kyung Sub, người đứng đầu bộ phận kinh doanh vật liệu pin tại tập đoàn Posco của Hàn Quốc, ước tính ngay cả khi mọi thứ diễn ra theo đúng kế hoạch, pin thể rắn chỉ có thể chiếm khoảng 10% thị trường xe điện nói chung vào năm 2035.

Bản thân giám đốc điều hành của Toyota, Koji Sato, cũng đã do dự khi gọi pin thể rắn là “nhân tố thay đổi cuộc chơi” để giành chiến thắng trong cuộc đua xe điện toàn cầu. Sato đã chỉ ra rằng ban đầu pin thể rắn sẽ được tung ra với số lượng nhỏ trên các mẫu xe cao cấp, trong khi pin lithium-ion sẽ tiếp tục được sử dụng cho những chiếc ô tô giá cả phải chăng hơn.

Sato cho biết vào tuần trước: “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 đối với các sản phẩm pin khác nhau mà chúng tôi có. Nhưng chỉ riêng pin sẽ không quyết định được giá trị chiếc xe của chúng tôi”.

Nhiều giám đốc điều hành trong ngành đồng ý rằng các công nghệ cấu thành nên thể rắn sẽ dần dần được tích hợp vào các loại pin ngày nay. CATL dường như đang có kế hoạch thực hiện chính xác điều đó, khi ra mắt vào tháng 4 một loại pin “dạng ngưng tụ” hay “bán rắn” mới với mật độ năng lượng gấp đôi so với các mẫu hiện tại.

Glen Merfeld, giám đốc công nghệ tại Albemarle, nhà sản xuất lithium lớn nhất thế giới, nhận định: “Pin thể rắn hoàn toàn là lý tưởng cho nơi chúng tôi muốn hướng tới. Pin lithium-ion ngày nay sẽ phát triển để trông giống như vậy”.

Đối với tất cả những trở ngại kỹ thuật còn tồn tại, một số nhà quan sát tin rằng tác động tiềm tàng có thể rất sâu sắc. Một loại pin với hiệu suất được cải thiện đáng kể có thể mở ra cơ hội thiết kế lại nhiều khía cạnh của di chuyển toàn cầu, từ robotaxi đến hàng không khu vực và các loại máy bay không người lái mới.

“Trạng thái rắn phải hoàn thành một sứ mệnh. Công việc của pin mới là không bao giờ thay thế pin cũ. Đó là để mở khóa những điều mà trước đây chúng tôi không thể làm được”, Shirley Meng, giáo sư về pin tại Đại học Chicago, cho biết. “Bằng cách tận dụng phạm vi lái xe và thời gian sạc mới, các công ty ô tô Nhật Bản đang định hình lại tương lai của ngành vận tải toàn cầu”.