Cuộc đua công nghệ pin ôtô điện của các hãng xe

Giai đoạn tiếp theo trong kỷ nguyên xe điện sẽ là cuộc cạnh tranh về công nghệ pin của các nhà sản xuất.

Có thể nói, 2021 là năm bản lề quan trọng của ngành công nghiệp ôtô khi nhiều “ông lớn” bắt đầu dồn sức cho mảng xe điện. Hàng loạt mẫu ôtô điện đình đám của Mercedes-Benz, BMW, Audi, Ford hay General Motors được ra mắt, cho thấy sự nghiêm túc của những hãng xe lâu đời trong việc cạnh tranh và sẵn sàng lật ngược tình thế trước làn sóng những công ty xe điện “mới nổi” trong hơn một thập kỷ qua.

Sau khi hoàn thiện được những nền tảng khung gầm, động cơ xe điện đủ tốt để đưa vào sản xuất thương mại hàng loạt, các thương hiệu lớn bắt đầu tập trung và dồn sức vào nghiên cứu, phát triển công nghệ pin.

Không chỉ là chìa khóa mở ra khả năng xe điện có thể thay thế hoàn toàn ôtô truyền thống, công nghệ lưu trữ năng lượng mới còn quyết định thành bại của cuộc đua xe điện trong tương lai.

Pin lithium-ion trở nên lỗi thời

Kể từ lúc các hãng ôtô bắt đầu có ý định nghiêm túc với xe điện vào cuối thập niên 2000 đến nay, pin lithium-ion vẫn là lựa chọn khả dĩ nhất khi đáp ứng ổn thỏa yêu cầu về chi phí nghiên cứu, thiết kế cũng như giá thành sản xuất.

Loại pin sử dụng chất điện phân dạng lỏng này trở thành nguồn năng lượng chính cho hàng loạt mẫu xe điện đã bán ra thị trường. Đi cùng với đó là một vài đặc điểm hạn chế, ví dụ như độ ổn định thấp ở điều kiện nhiệt độ cao có thể sinh ra cháy nổ, hiệu năng suy giảm khi làm việc ở môi trường lạnh giá.

Hầu hết xe điện trên thị trường hiện được trang bị pin lithium-ion. Ảnh: Businessinsider.

Bên cạnh đó, đặc tính cấu tạo cần liên kết giữa các cụm pin nhỏ khiến bộ pin lithium-ion của xe điện hiện nay có kích thước lớn và nặng nề, từ đó ảnh hưởng ngược trở lại đến khả năng vận hành của xe.

Sau cùng, cũng như pin trên điện thoại di động hay các thiết bị di động khác, pin lithium-ion của ôtô điện sau khi sử dụng một thời gian sẽ bị giảm dung lượng (chai pin), đồng thời khả năng tiếp nhận dòng sạc cường độ cao (sạc nhanh) cũng thấp hơn ban đầu.

Đi tìm giải pháp mới

Những nhược điểm kể trên của pin lithium-ion từ lâu đã được các hãng xe nhận biết và tìm kiếm giải pháp thay thế. Một trong những công nghệ nổi lên trong vài năm qua và trở thành tâm điểm của cuộc cạnh tranh giữa các hãng xe là pin thể rắn (solid-state).

Đúng như tên gọi, pin thể rắn không có dung dịch điện phân như pin lithium-ion. Thay vào đó, nhà sản xuất sử dụng các vật liệu rắn có thành phần tương tự thủy tinh, gốm… để làm chất điện phân cho cụm pin.

Nhờ tiết kiệm được thể tích và khối lượng từ phần dung dịch bị loại bỏ, pin thể rắn có thể được thiết kế nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn, từ đó cho được khả năng tích trữ năng lượng tốt hơn. Ngoài ra, pin thể rắn cũng không cần hệ thống làm mát phức tạp như pin lithium-ion, giúp tối giản khâu sản xuất và cắt giảm khối lượng xe.

Không chỉ vậy, cấu tạo sử dụng vật liệu điện phân rắn giúp công nghệ pin mới an toàn hơn và có độ bền cao hơn, ít bị chai pin hoặc giảm khả năng sạc vì tuổi thọ sử dụng.

Một tế bào pin thể rắn (bên phải) có kích thước nhỏ gọn hơn đáng kể so với pin lithium-ion. Ảnh: Solid Power.

Theo Autoweek , cùng không gian mà pin lithium-ion cần dưới xe, pin thể rắn có thể cung cấp dung lượng cao gấp 2 đến 10 lần. Thời gian sạc trên lý thuyết cũng sẽ được rút ngắn đáng kể, từ đó cho phép ôtô điện trong tương lai có được phạm vi vận hành xa hơn, nạp năng lượng nhanh hơn các mẫu xe hiện hành.

Motortrend ước tính, một mẫu xe điện phổ thông trang bị pin thể rắn có thể di chuyển 480 km khi được sạc đầy sau 15 phút. Đi cùng với đó, cụm pin có thể giữ được 80% dung lượng ban đầu sau khoảng 800 chu kỳ sạc (tương đương di chuyển 240.000 km).

Cuộc đua pin thể rắn

Trước khi được nhiều công ty và hãng xe để mắt đến, pin thể rắn đã được ứng dụng trong vài lĩnh vực. Máy tạo nhịp tim, thiết bị đeo di động hay thiết bị theo dõi bằng sóng radio đã sử dụng pin thể rắn.

Còn với xe điện, pin thể rắn hiện chỉ dừng lại ở giai đoạn nghiên cứu và dần hoàn thiện. Rào cản được cho là lựa chọn vật liệu phù hợp để làm chất điện phân nhằm cung cấp đủ công suất điện cho động cơ xe điện điện vận hành.

Toyota được xem cái tên tiên phong đầu tư vào pin thể rắn, dù rằng chưa có mẫu ôtô điện nào của thương hiệu này được bán ra thị trường. Gần đây, Toyota đã công bố video về một nguyên mẫu xe điện sử dụng pin thể rắn do hãng hợp tác phát triển cùng Panasonic. Nhà sản xuất Nhật Bản dự định đưa pin thể rắn vào xe điện thương mại trước năm 2030.

Dù có lợi thế đi trước, Toyota đang bị các đối thủ thu hẹp khoảng cách trong cuộc đua chinh phục pin thể rắn. Hãng xe đồng hương Nissan cũng âm thầm phát triển một loại pin thể rắn riêng dành cho các mẫu xe điện mới. Cả Toyota và Nissan đều nhận được hậu thuẫn từ chính phủ Nhật Bản để đầu tư cho các công nghệ xe giảm thiểu khí thải CO2, bao gồm cả pin thể rắn.

Hồi tháng 3, QuantumScape, công ty ở California (Mỹ) có quan hệ đối tác chiến lược với Volkswagen, đã công bố kết quả thử nghiệm “đầy hứa hẹn” cho tế bào thể rắn của riêng mình.

Vào giữa tháng 9 vừa qua, Ford cùng BMW công bố sẽ bắt đầu thử nghiệm loại pin thể rắn mới trên xe nguyên mẫu vào đầu năm 2022. Hai nhà sản xuất này vốn đã bắt tay đầu tư vào công ty có tên Solid Power từ năm 2017. Nhà máy của Solid Power tại Colorado, Mỹ được cho là đang mở rộng quy mô xây dựng để chuẩn bị cho giai đoạn sản xuất số lượng lớn.

Công nghệ pin Ultium của GM được cho là có nhiều điểm tương đồng với pin thể rắn. Ảnh: GM.

Ngay tại Việt Nam, VinFast đã có những bước chuẩn bị để đón đầu cho công nghệ pin thể rắn. Vào đầu tháng 3 năm nay, VinFast đã ký kết hợp tác với công ty Đài Loan ProLogium để thành lập liên doanh sản xuất pin thể rắn cho các mẫu ôtô điện tại Việt Nam.

Không chỉ vậy, VinFast còn muốn sở hữu một công nghệ pin khác có khả năng sạc siêu nhanh, cho khả năng nạp 80% dung lượng trong 5 phút. Theo StoreDot, đối tác của VinFast trong dự án này, họ thay thế chổi than trong điện cực của pin bằng hạt nano và một số vật liệu đặc biệt để tăng tốc độ sạc.