Ngành xe điện và giấc mộng lớn: Đột phá công nghệ pin

Có hay không thứ vật liệu làm pin xe điện giúp giảm thời gian sạc, tăng cự ly di chuyển nhưng vẫn rẻ và có thể sản xuất thương mại?

Đã từ lâu, các nhà sản xuất xe điện và các nhà phát triển pin xe điện đã mơ ước về một thứ vật liệu có thể đưa vào sản xuất đại trà, có thể giúp giảm thời gian sạc, tăng cự ly di chuyển nhưng không tốn kém.

Vì ước mộng này, hàng tấn tiền đã đổ vào nghiên cứu phát triển pin, kỳ vọng có thể tìm được một giải pháp, và thực sự thì hiệu suất của pin xe điện cũng đã tốt hơn qua thời gian với những cải tiến nhỏ ở các loại chất hóa học khác nhau và cả ở công đoạn đóng gói pin. Tuy nhiên, đột phá mà có thể đưa xe điện đến với phân khúc phổ thông thì đang cho thấy nó là một giấc mộng xa vời.

Ông Conrad Layson, nhà phân tích cấp cao các động lực phát triển thay thế tại AutoForecast Solutions, cho hay: “Chúng tôi đã phát triển hết mức với các vật liệu làm cực catốt [cực âm] của pin Lithium”.

Dẫu vậy, nhiệm vụ kiếm tìm thứ vật liệu trong mơ đó vẫn phải được hoàn thành, nhất là khi các nhà sản xuất xe đang chi ra nhiều tỷ USD để phát triển và cho ra mắt các mẫu xe điện đầy hấp dẫn, đi kèm với những khoản hỗ trợ của chính phủ nhằm đẩy mạnh quá trình điện hóa phương tiện giao thông.

Một số phân tích đã cho thấy rằng riêng phần pin đã chiếm khoảng 30% chi phí của một chiếc xe điện, trong khi đó thì xe điện thường có mức giá cao hơn so với một mẫu xe xăng tương đồng. Theo đơn vị chuyên phân tích số liệu Cox Automotive Data thì tại Mỹ, mức giá bình quân mà người dùng chi trả cho xe điện rơi vào khoảng 65.291 USD (hơn 1,6 tỷ đồng), con số đó của xe xăng chỉ là 48.094 USD (gần 1,2 tỷ đồng).

Vật liệu làm chất điện phân đang là một vấn đề được quan tâm. Ảnh: Driving Electric

RÀO CẢN VỀ CHẤT ĐIỆN PHÂN

Ông Alexei Andreev, đồng sáng lập của AutoTech Ventures tại bang California, Mỹ, cho biết rằng pin xe điện vốn là một bộ phận phức tạp, nên sẽ rất khó để có thể tìm các giải pháp thay thế hiệu quả mà không gặp vấn đề về chi phí.

Ông nói: “Nếu bạn mở sách giáo khoa hóa ra, bạn sẽ thấy rằng pin dường như chỉ có duy nhất một chức năng: ion đi hướng này, electron đi hướng kia, và đó là một cục pin. Nhưng thực tế thì nó phức tạp hơn vậy rất nhiều”.

Ông Andreev cho rằng rào cản khó vượt qua nhất để cải tiến pin mà các đơn vị phát triển pin đang tìm kiếm liên quan đến chất điện phân. Đối với loại pin Lithium-ion, các hạt mang điện sẽ chạy từ cực catốt đến cực anốt trong môi trường điện phân – thường ở dạng dung dịch hoặc gel. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra với tất cả các loại điện phân chúng ta đã sử dụng là chúng “có thể sẽ phân rã ở khoảng 4,2 vôn.”

Ông cũng cho rằng nếu tìm cách tạo ra đột phá với pin xe điện, thì phát triển chất điện phân có hiệu điện thế cao là một việc rất quan trọng.

PIN THỂ RẮN?

Pin thể rắn là một khái niệm thường xuyên xuất hiện trên mặt báo; khái niệm này nói tới loại pin có chất điện phân là một chất rắn thay vì là một chất lỏng hay dạng gel như đã đề cập. Pin thể rắn cũng chính là hạng mục phát triển pin mà BMW, Ford, Daimler, Toyota, Honda, Nissan, VinFast… đều đang mạnh tay đầu tư. Pin thể rắn được kỳ vọng sẽ có mức năng lượng riêng (năng lượng/khối lượng) cao hơn công nghệ pin Lithium-ion hiện nay.

Một ngày nào đó, pin thể rắn có thể sẽ trở thành một bước đột phá lớn của ngành công nghiệp. Pin thể rắn có thể sạc nhanh hơn, có tuổi thọ dài hơn, khó bắt lửa và có thể giúp cắt giảm trọng lượng của xe điện.

Toyota cũng đang tham gia phát triển pin thể rắn. Ảnh: Toyota

Tuy nhiên, vẫn còn đó những câu hỏi rằng liệu các nhà sản xuất pin đủ năng lực sản xuất đại trà pin thể rắn với mức giá đủ hấp dẫn các nhà sản xuất xe và đủ thấp để khách hàng có thể tiếp cận được. Theo nghiên cứu của SNE, năm 2021, pin Lithium-ion có mức giá từ khoảng 147 USD đến 153 USD mỗi kilowatt-giờ (kWh), tức chiếm từ khoảng 30% đến 40% chi phí của một mẫu xe điện.

Ông Alexei Andreev cho biết tiếp: “Cách để làm pin thể rắn, có thể ngay ngày mai thôi ta sẽ tìm ra, hoặc 10 năm nữa, hoặc chẳng bao giờ. Không thể dự đoán được khi nào thì có đột phá. Chúng ta vẫn đang cố gắng, và đã có rất nhiều tiền đầu tư. Nhưng khó thì vẫn cứ là khó”.

PIN LITHIUM-SẮT PHỐT-PHÁT

(LITHIUM-IRON PHOSPHATE – LFP)

Hiện nay, có nhiều đơn vị đang thử nghiệm tính khả thi của các loại pin khác, trong đó có Our Next Energy (ONE) hồi tháng 10 đã thông báo việc mở một nhà máy sản xuất tép pin (còn gọi là cell pin) và đóng gói pin (còn gọi là pack pin) tại bang Michigan, Mỹ vào năm 2024 với mức đầu tư lên tới 1,6 tỷ USD. ONE sẽ sản xuất tép pin LFP – loại pin không sử dụng Cô-ban hay Niken (các loại kim loại thường có giá thành cao, và/hoặc gắn với các vấn đề xã hội).

Pin thể rắn là loại pin có chất điện cực ở dạng rắn. Ảnh minh họa: Electrek

Trao đổi với tờ Automotive News, giám đốc điều hành của ONE, ông Mujeeb Ijaz, hình dung: “Tương lai của chúng ta là sẽ sử dụng sắt – một chất liệu có rất nhiều trong tự nhiên, rẻ và an toàn khi sử dụng”. Có chi phí thấp hơn nhiều so với loại pin sử dụng Cô-ban, nhưng pin LFP vẫn luôn được chỉ ra rằng có mức năng lượng riêng nằm ở nhóm thấp nhất trong các loại pin.

Ông Conrad Layson tại AutoForecast Solutions cho biết: “Không phải tất cả các nhà sản xuất xe đều lựa chọn sử dụng pin LFP, nhưng với các hãng xe Đức thì lựa chọn, bởi ở những khu vực đông dân cư, người sử dụng xe thường không di chuyển ở vận tốc quá 40 dặm/giờ [khoảng 65km/h]. Điều này là hoàn toàn phù hợp với tính chất của pin LFP. Đi loanh quanh Paris, Berlin, hay Luôn Đôn thì chỉ di chuyển khoảng 35km. Tức là người dùng có thể đi vài tuần mỗi lần sạc”.

Theo ông Conrad Layson, khi các nhà sản xuất pin dồn lực cho những bước tiến lớn trong phát triển công nghệ pin thì các thay đổi trong đóng gói pin cũng đã mang lại những kết quả đáng kỳ vọng.

Pin 4680 của Tesla được xem là một cải tiến lớn. Ảnh: History Computer

Tên gọi pin 4680 bắt nguồn từ chính kích thước pin: 46×80mm, hình trụ. Loại pin này có kích thước lớn hơn nhiều so với pin 2170 trước đó. Thay đổi này giúp Tesla có pack pin dung lượng lớn hơn, nhỏ nhẹ hơn và chi phí thấp hơn.

Một trong những ví dụ tiêu biểu nhất có thể nêu ra chính là loại pin trụ 4680 của Tesla. Thay đổi trong thiết kế kiểu dáng pin đã giúp xe của Tesla tăng cự ly di chuyển, giảm chi phí sản xuất.

Tương tự, BYD của Trung Quốc cũng đã sáng tạo một kiểu dáng mới cho pin LFP, gọi là Blade Battery (tạm dịch: Pin lá). Kiểu pin này của BYD có dáng mỏng, gọn nên có thể có mức năng lượng riêng cao hơn. Hiện, Toyota đã là một trong những đơn vị mua Pin Lá của BYD; trong khi đó thì hồi tháng 6, BYD cho biết rằng họ sắp bán kiểu pin này cho Tesla.

“TÍCH TIỂU THÀNH ĐẠI”

Các đơn vị có ít nguồn lực hơn thì đang phát triển các cách đóng pin khác để tăng hiệu suất pin. Ví dụ như với Enovix Corp., đơn vị này hồi đầu năm cho biết họ đang phát triển pin Lithium-ion có cực anốt (cực dương) làm từ silicon, có tuổi thọ trên 10 năm và có thời gian sạc ngắn hơn. Qua thử nghiệm, đơn vị này cho biết rằng pin của họ có thể sạc từ 0 đến 80% chỉ trong hơn 5 phút, đạt 98% dung lượng trong chưa đầy 10 phút.

Phó chủ tịch phụ trách chiến lược phát triển doanh nghiệp, ông Patrick Donnelly, cho biết rằng Enovix đang trao đổi với các nhà sản xuất xe về công nghệ của Enovix. Ông Patrick Donnelly phát biểu tại Triển lãm Pin (Battery Show) tại bang Detroit, Mỹ hồi tháng 9: “[Loại pin của Enovix] có những điểm mạnh lớn, không chỉ ở việc có cực anốt làm bằng silicon mà nói chung cả về pin”.

Cho dù các cải tiến lớn về công nghệ ở mức tép pin vẫn còn xa tầm với, những phát triển nho nhỏ cũng đã đủ khiến pin xe điện tốt hơn qua từng năm. Cải tiến 5% mỗi năm cuối cùng cũng sẽ khiến công nghệ pin đạt bước tiến lớn sau một thập kỷ. Ông Alexei Andreev nêu quan điểm rằng chỉ cần giữ mức phát triển 5% thôi thì nhiêu đó đã đủ làm nên một chuyện lớn.