Tin thị trường và sản phẩm

Pin giờ đây không chỉ là thứ dùng cho đèn pin hay máy nghe nhạc cầm tay như trước. Máy tính, điện thoại, ô tô, và cả lưới điện quốc gia đều đang phụ thuộc vào công nghệ lưu trữ năng lượng. Đặc biệt với điện tái tạo từ gió và mặt trời — loại năng lượng không thể dùng ngay khi sản xuất ra — bài toán lưu trữ lại càng quan trọng: điện mặt trời sẽ vô dụng vào ban đêm nếu không có cách giữ lại để dùng sau.

Tuy nhiên, công nghệ pin lithium-ion đang được sử dụng phổ biến hiện nay vẫn còn một số hạn chế đáng kể. Loại pin này khá dễ gây cháy nổ nếu không có các biện pháp an toàn nghiêm ngặt, đồng thời độ bền cũng không cao — đó là lý do vì sao pin điện thoại hay laptop thường phải thay sau vài năm sử dụng, do mỗi lần sạc lại khiến pin hao mòn dần.
Trên khắp thế giới, các nhà khoa học và kỹ sư đang nghiên cứu nhiều hướng công nghệ pin mới nhằm cải thiện độ an toàn, độ bền, tốc độ sạc và nhiều yếu tố khác. Dưới đây là 10 công nghệ đang nổi lên — một số đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường, một số khác vẫn trong giai đoạn nghiên cứu nhưng được kỳ vọng sẽ tạo ra thay đổi lớn.

1. Pin thể rắn (solid-state battery)

Khác với pin thông thường dùng chất điện phân (electrolyte) dạng lỏng — môi trường giúp các ion di chuyển qua lại giữa cực âm (anode) và cực dương (cathode) khi pin sạc và xả — pin thể rắn sử dụng vật liệu điện phân ở dạng rắn. Phần lớn các vấn đề của pin hiện nay đều xuất phát từ việc dùng chất điện phân lỏng; nếu thay được bằng vật liệu rắn, pin sẽ an toàn hơn, bền hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.

Về mặt công nghệ, các nhà khoa học đã chế tạo được loại pin này từ lâu, nhưng thử thách lớn nhất nằm ở khâu sản xuất đại trà với chi phí hợp lý. Hiện một số công ty đang chạy đua trong lĩnh vực này: công ty Donut Labs tuyên bố đã sản xuất loại pin thể rắn hoàn toàn đầu tiên trên thế giới được lắp cho xe thương mại, dù tuyên bố này vẫn chưa được bên thứ ba xác minh độc lập và sản phẩm chưa chính thức bán ra thị trường. Công ty Greater Bay Technology của Trung Quốc cũng đã làm ra các mẫu pin thể rắn cho xe điện và cho biết đang hướng tới sản xuất quy mô lớn, cùng với một công ty khác là Prologium.

2. Pin natri-ion (sodium-ion battery)

Lithium — kim loại chính dùng trong pin lithium-ion — có một số vấn đề: việc khai thác gây ô nhiễm, tiêu tốn nhiều năng lượng, và ở một số nơi còn liên quan đến tình trạng bóc lột lao động. Nguồn cung lithium toàn cầu cũng chưa chắc đủ đáp ứng nếu phần lớn xe cộ chuyển sang dùng điện hoặc nếu điện tái tạo cần được lưu trữ ở quy mô lớn.

Vì vậy, ý tưởng thay lithium bằng natri — kim loại rẻ và có nguồn cung gần như vô tận, có thể chiết xuất từ muối — được xem là một bước tiến quan trọng. Nhược điểm chính của pin natri-ion là mật độ năng lượng thấp hơn pin lithium, nên không thực sự phù hợp với các thiết bị như điện thoại hay xe điện hiệu suất cao. Nhưng với các loại xe điện phổ thông, nơi một chút trọng lượng dư hay quãng đường ngắn hơn không quá quan trọng, đây được xem là công nghệ pin phù hợp.

Hãng pin CATL của Trung Quốc đã cho ra mắt loại pin natri-ion đầu tiên trên thế giới được sản xuất đại trà cho xe khách, với mật độ năng lượng đạt 175 Wh/kg — mức có thể cạnh tranh với pin lithium-ion, và dự kiến còn tiếp tục tăng khi công nghệ sản xuất được cải thiện. Vấn đề tốc độ sạc chậm — vốn là điểm yếu lớn của loại pin này — cũng đã phần nào được các kỹ sư giải quyết.

3. Pin cực âm silic (silicon-anode battery)

Trong một viên pin, cực âm (anode) và cực dương (cathode) là hai điện cực mà dòng điện đi vào và đi ra. Vật liệu làm nên hai điện cực này có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu năng của pin. Với pin cực âm silic, vật liệu chính của cực âm là silic thay cho than chì (graphite) như thông thường. Cách làm này có thể giúp tăng mật độ năng lượng của pin lithium lên gấp đôi trong thực tế, và về lý thuyết còn có thể cao hơn nữa. Đây cũng chính là công nghệ giúp một công ty tạo ra loại pin xe điện có thể chạy được tới 600.000 dặm (gần 1 triệu km).

Đây sẽ là một bước tiến lớn với xe điện, nơi mật độ năng lượng gần như là yếu tố quan trọng nhất. Tăng gấp đôi quãng đường di chuyển mà không cần thêm trọng lượng pin là điều hầu như ai cũng muốn. Vấn đề lớn nhất hiện nay là silic giãn nở và co lại trong quá trình sạc và xả, gây hao mòn pin. Các kỹ sư đang thử nghiệm nhiều giải pháp, trong đó phổ biến nhất là dùng vật liệu composite kết hợp silic với một phần than chì để hạn chế hiện tượng này.

4. Pin sắt-không khí (iron-air battery)

Khả năng lưu trữ năng lượng tốt hơn sẽ giúp việc sản xuất điện trở nên hiệu quả hơn, vì người ta có thể chủ động lựa chọn thời điểm và cách thức phát điện, đồng thời giảm phụ thuộc vào các máy phát điện chạy dầu diesel khi lưới điện bị quá tải. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với năng lượng tái tạo, nhưng cũng áp dụng được cho cả điện hạt nhân hay nhiệt điện khi có phần điện dư thừa không dùng hết. Một trong những giải pháp lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện được kỳ vọng nhiều là pin sắt-không khí (hay pin kim loại-không khí).

Loại pin này lưu trữ và giải phóng năng lượng thông qua một phản ứng oxy hóa có thể đảo ngược — về cơ bản là quá trình sắt bị "gỉ" rồi sau đó được khử gỉ khi sắt liên kết hoặc giải phóng oxy. Pin sắt-không khí có kích thước lớn và nặng, nên không phù hợp với xe điện hay máy tính xách tay, nhưng lại có chi phí rẻ hơn và dễ mở rộng quy mô ở cấp độ lưới điện. Nói đơn giản, quá trình gỉ sắt và khử gỉ — vốn bị xem là quá chậm và quá nặng để có ích trong hầu hết ứng dụng khác — lại có thể trở thành lời giải cho việc lưu trữ điện với chi phí thấp trong nhiều ngày liên tục, nhờ vào nguồn sắt, nước và không khí có sẵn khắp nơi.

5. Pin lithium-lưu huỳnh (lithium-sulfur battery)

Lưu huỳnh là vật liệu rẻ, có nguồn cung dồi dào và đặc biệt là rất nhẹ. So với pin lithium-ion thông thường, pin lithium-lưu huỳnh có thể đạt mật độ năng lượng cao hơn nhiều. Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã chế tạo được loại pin lithium-lưu huỳnh đạt mật độ năng lượng 549 Wh/kg — giúp tăng gấp đôi thời gian bay của thiết bị không người lái (drone) so với khi dùng pin lithium thông thường.

Điều đáng chú ý hơn cả mật độ năng lượng là độ bền của loại pin này. Trước đây, nhược điểm lớn nhất của pin lithium-lưu huỳnh là suy giảm dung lượng nhanh, nhưng loại pin mới này được cho là vẫn giữ được 82% dung lượng sau 800 lần sạc — tương đương với những loại pin lithium tốt nhất hiện dùng cho drone. So với một số công nghệ khác có thể chịu được số lần sạc cao hơn nhiều, pin lithium-lưu huỳnh khó trở thành công nghệ chủ đạo trong tương lai, nhưng vẫn có giá trị riêng ở những ứng dụng cần mật độ năng lượng cao hơn là cần độ bền lâu dài.

6. Pin cấu trúc (structural battery)

Trên xe điện, pin là nguồn cung cấp năng lượng nhưng cũng là phần nặng nhất, vốn chỉ có chức năng duy nhất là lưu trữ điện. Ý tưởng về pin cấu trúc là tích hợp khả năng lưu trữ năng lượng ngay vào các bộ phận khác của xe — như khung gầm, thân xe hay các tấm vỏ — tương tự cách động cơ trong một số thiết kế xe vừa tạo ra công suất, vừa đóng vai trò chịu lực kết cấu, giúp giảm trọng lượng tổng thể.

Năm 2024, giới khoa học từng công bố loại pin được gọi là "pin chắc nhất thế giới", được chế tạo từ sợi carbon — vật liệu nhẹ và bền vốn dùng để làm các bộ phận xe siêu sang hay xe đua chuyên nghiệp. Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu pin này có độ cứng tương đương nhôm và đủ khả năng lưu trữ năng lượng ở mức có thể ứng dụng thương mại.

Công nghệ này được xem là đặc biệt quan trọng với máy bay điện, nơi trọng lượng vẫn là vấn đề lớn — nếu chính khung thân máy bay có thể trở thành một phần của hệ thống pin, tầm hoạt động và hiệu suất bay sẽ được cải thiện đáng kể. Không chỉ giới hạn ở phương tiện di chuyển, các nhà khoa học còn đang nghiên cứu loại bê tông có khả năng lưu trữ năng lượng, mở ra khả năng biến chính kết cấu của một công trình xây dựng thành nơi lưu trữ điện từ lưới điện hoặc từ pin năng lượng mặt trời, thay vì phải dành riêng một không gian cho các bộ pin cỡ lớn.

7. Pin vi hạt nhân (nuclear microbattery)

Trong thực tế hiện nay, chỉ có tàu hải quân, tàu ngầm và các tàu vũ trụ thám hiểm không gian sâu là sử dụng năng lượng hạt nhân làm nguồn cung cấp điện. Nhưng pin vi hạt nhân có thể thay đổi điều đó, đồng thời góp phần giải quyết bài toán chất thải hạt nhân từ các nhà máy điện phân hạch. Mặc dù lượng chất thải hạt nhân tạo ra không quá lớn, vật liệu này vẫn cần được niêm phong và lưu giữ dưới lòng đất trong hàng trăm năm vì tính nguy hại lâu dài. Một phần chất thải này có thể tái chế, và nghiên cứu về pin vi hạt nhân cho thấy khả năng sử dụng chúng một cách hữu ích hơn.

Loại pin này hoạt động dựa trên các tinh thể phát ra ánh sáng khi hấp thụ phóng xạ, sau đó ánh sáng này được chuyển hóa thành điện năng thông qua một cơ chế tương tự pin năng lượng mặt trời. Lượng điện tạo ra khá nhỏ, nhưng đủ để cấp nguồn cho các loại cảm biến hay thiết bị siêu nhỏ — và quan trọng hơn, có thể duy trì hoạt động liên tục trong nhiều thập kỷ. Một hướng đi khác cũng đang gây chú ý là công ty Casimir, với tuyên bố đã phát triển một loại chip có thể thu năng lượng từ môi trường dựa trên hiệu ứng Casimir trong vật lý lượng tử — dù vẫn còn không ít hoài nghi xung quanh tuyên bố này.

8. Pin tăng cường graphene (graphene-enhanced battery)

Graphene được phát hiện cách đây hơn hai thập kỷ và từ đó đến nay luôn được kỳ vọng sẽ tạo ra bước đột phá cho ngành pin, nhưng quá trình hiện thực hóa lại gặp không ít trở ngại — đặc biệt là việc sản xuất graphene ở quy mô lớn, vốn chỉ mới đạt được những bước tiến đáng kể trong thời gian gần đây.

Lý do graphene được quan tâm là vì khả năng dẫn điện vượt trội của nó. Về lý thuyết, nếu pin được bổ sung graphene, tốc độ sạc sẽ nhanh hơn và khả năng tản nhiệt cũng tốt hơn nhiều — điều rất có ý nghĩa với xe điện, vốn cần giải pháp sạc nhanh nhưng không làm hao mòn pin quá nhiều. Graphene được kỳ vọng sẽ tạo ra loại pin thể rắn mạnh mẽ, nhưng cho đến nay mục tiêu này vẫn chưa đạt được.

Trên thị trường hiện đã có một số sản phẩm pin có bổ sung graphene, ví dụ như các loại pin sạc dự phòng — việc thêm graphene giúp tăng tốc độ sạc, giảm hao mòn pin và cải thiện khả năng quản lý nhiệt. Tuy nhiên, điều này cũng khiến sản phẩm có giá thành cao hơn đáng kể, đến mức một số ý kiến cho rằng chi phí tăng thêm chưa tương xứng với lợi ích mang lại. Khi công nghệ sản xuất graphene với chi phí thấp trở nên khả thi, loại pin này được kỳ vọng sẽ trở thành một trong những nền tảng quan trọng của công nghệ lưu trữ năng lượng tương lai.

9. Pin dòng chảy (flow battery)

Trong khi nhiều công nghệ đang hướng tới loại bỏ hoàn toàn chất điện phân lỏng như ở pin thể rắn, pin dòng chảy lại đi theo hướng ngược lại: tận dụng triệt để đặc tính của chất điện phân lỏng. Khác với pin thông thường có chất điện phân nằm cố định giữa hai điện cực, ở pin dòng chảy, chất điện phân được chứa trong các bể riêng biệt, khiến hệ thống này trông giống một nhà máy hóa chất nhỏ hơn là một viên pin truyền thống.

Điện được tạo ra bằng cách bơm chất điện phân tuần hoàn qua hai phía của một lớp màng, cho phép các ion di chuyển qua lại. Loại pin này có thể được sạc bằng điện từ các nguồn như điện mặt trời hay điện gió, nhưng cũng có thể "sạc" gần như ngay lập tức bằng cách thay chất điện phân đã dùng bằng dung dịch mới. Muốn tăng dung lượng lưu trữ, chỉ cần làm các bể chứa lớn hơn.

Đặc điểm này khiến pin dòng chảy rất phù hợp với vai trò lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện, tương tự pin sắt-không khí đã nói ở trên. Trước đây, loại pin này — cũng như pin sắt-không khí — không được xem là phù hợp cho các hệ thống nhỏ như xe điện vì mật độ năng lượng còn thấp. Tuy nhiên, sự xuất hiện gần đây của công nghệ nhiên liệu điện tử dạng nano (nanoelectrofuel), với mật độ năng lượng cao hơn 15 đến 25 lần so với chất điện phân thông thường dùng trong pin dòng chảy, có thể thay đổi điều này — mở ra khả năng cho một loại xe điện có thể sạc lại như bình thường, hoặc đơn giản là "đổ" thêm chất điện phân mới trong vài phút.

10. Pin trọng lực (gravity battery)

Trong số các công nghệ kể trên, pin trọng lực có lẽ là cái tên nghe "khoa học viễn tưởng" nhất. Về bản chất, đây chỉ đơn giản là một khối vật nặng được treo trên cáp, kéo quay một máy phát điện (alternator) — nhưng cách hoạt động của nó thực ra thú vị hơn nhiều so với tên gọi.

Cách vận hành là dùng năng lượng (ví dụ từ điện mặt trời hay điện gió) để nâng một vật rất nặng — chẳng hạn vài tấn bê tông — lên một độ cao nhất định. Khi cần lấy lại năng lượng, người ta từ từ hạ khối vật nặng đó xuống thông qua một hệ thống bánh răng làm quay máy phát điện. Trên thực tế, các hệ thống pin trọng lực thường được lắp đặt trong các trục hầm dưới lòng đất, kể cả những hầm mỏ đã ngừng khai thác được tái sử dụng. Về bản chất, năng lượng được lưu trữ dưới dạng thế năng thay vì năng lượng hóa học: người ta tốn công nâng vật nặng lên chống lại lực hấp dẫn của Trái Đất, và sau đó thu lại phần lớn năng lượng đó khi để trọng lực kéo vật xuống.

Một công ty từng dẫn đầu lĩnh vực này là Gravitricity, nhưng đáng tiếc công ty này đã ngừng hoạt động vào năm 2025. Pin trọng lực chỉ là một ví dụ của nhóm pin động năng (kinetic battery) nói chung — một dạng khác là pin bánh đà (flywheel battery), trong đó điện năng được dùng để quay một bánh đà nặng đạt tốc độ rất cao, được giữ cân bằng cẩn thận trong một khoang giảm thiểu ma sát. Sau đó, khi cần lấy điện trở lại, người ta hãm bánh đà để tạo ra dòng điện. Đơn giản nhưng đầy khéo léo.

Nguồn: Sydney Louw Butler, "10 Emerging Battery Innovations That Could Change The World", BGR, 1/6/2026.