Tin thị trường và sản phẩm

Pin liti-ion, sau nhiều thập kỷ thống trị thị trường từ điện thoại thông minh đến xe điện và máy bay không người lái, đang cho thấy những dấu hiệu bão hòa rõ rệt. Dù trải qua vô số lần cải tiến về mật độ năng lượng và hiệu suất, nhiều nhà khoa học nhận định rằng các thông số này đang tiệm cận giới hạn lý thuyết. Ngay cả những dòng pin tiên tiến nhất hiện nay vẫn có xu hướng suy giảm hiệu suất trong điều kiện lạnh, nhanh chóng mất dung lượng, hoặc trong trường hợp thiết bị gia dụng, có nguy cơ tự bốc cháy.

Trong khi đó, nhu cầu về pin chưa bao giờ lớn hơn. Dự kiến 30% số xe bán ra trong năm 2026 sẽ là xe điện. Năm ngoái, các hộ gia đình và doanh nghiệp Mỹ lắp đặt số lượng pin quy mô lớn ở mức kỷ lục. Theo công ty tư vấn Wood Mackenzie, công suất lắp đặt có thể tăng gần 40% vào cuối thập kỷ này. Nhu cầu về các công nghệ pin thế hệ mới trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

Pin thể rắn — Ứng viên sáng giá nhất

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu đang dần đưa các giải pháp thay thế vào tầm tay. Pin thể rắn (solid-state battery) là một trong những hướng phát triển được kỳ vọng nhất hiện nay.

Trong pin liti-ion thông thường, các ion liti di chuyển qua chất điện giải — thường là dung môi hữu cơ dễ cháy thấm vào toàn bộ các thành phần của pin. Ở pin thể rắn, cực dương, cực âm và chất điện giải được nén thành các tấm cứng xếp liền nhau. Cấu trúc này cho phép nhồi nhét nhiều vật liệu dẫn điện hơn trong cùng một thể tích, đưa mật độ năng lượng lên tới 500 Wh/kg, so với khoảng 300 Wh/kg của pin dùng chất điện giải lỏng. Pin thể rắn cũng ít có nguy cơ bốc cháy hơn.

Dù đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, pin thể rắn cho đến nay vẫn chỉ được chế tạo ở quy mô nhỏ, chủ yếu cho các thiết bị y tế cấy ghép. Rào cản lớn nhất để mở rộng quy mô sản xuất là tính giòn của vật liệu. Khi pin nạp và xả, các ion liên tục xâm nhập vào vật liệu điện cực, khiến pin giãn nở và co lại theo chu kỳ, tạo ra các khoảng trống giữa các thành phần, dẫn đến nứt vỡ và biến dạng — làm chậm quá trình dẫn ion và suy giảm hiệu suất pin.

Tháng 1 năm nay, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã có bước tiến đáng kể trong việc giải quyết vấn đề này. Họ tạo ra vật liệu điện giải hiệu suất cao bằng cách xếp xen kẽ các lớp gốm dày 1–100 nm với các tấm polymer có độ dày tương đương. Tổ hợp này được đặt vuông góc với bề mặt điện cực. Gốm đơn thuần dẫn điện tốt nhưng dễ nứt; polymer linh hoạt nhưng dẫn điện kém. Sự kết hợp của hai vật liệu cho phép ion di chuyển trơn tru ngang bằng các chất điện giải thể rắn tốt nhất hiện có, đồng thời giảm đáng kể xu hướng nứt vỡ.

Các thách thức còn lại

Một vấn đề dai dẳng khác là sự hình thành dendrite — các tinh thể dạng sợi mọc trên bề mặt điện cực, dẫn đến nứt vỡ và cuối cùng là ngắn mạch. Quan điểm lâu nay cho rằng dendrite hình thành khi các ion liti dư thừa tích tụ trên bề mặt cực âm thay vì được hấp thụ vào trong. Tuy nhiên, trong một công bố tháng 3 vừa qua, nhóm nghiên cứu do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu kết luận rằng quan điểm này chưa chính xác. Theo họ, dendrite hình thành do các phản ứng hóa học làm thay đổi tính chất của điện cực, khiến điện cực yếu đi — điều này cho thấy hướng nghiên cứu cần tập trung vào độ ổn định hóa học của điện cực, chứ không chỉ độ bền cơ học.

Khoa học vật liệu cũng đang giúp pin thể rắn hoạt động nhanh hơn. Trong các chất điện giải polymer thông thường, tốc độ di chuyển của ion bị giới hạn bởi chuyển động của các đoạn polymer xung quanh. Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, Tennessee, đã tìm cách tách rời hai loại chuyển động này bằng cách bổ sung các hợp chất zwitterion vào các đoạn polymer vốn dẫn điện kém. Mặc dù là phân tử trung hòa về điện, zwitterion có các vùng mang điện cục bộ có khả năng thúc đẩy sự di chuyển của ion. Kết quả thử nghiệm cho thấy cấu hình này có thể tăng tốc độ di chuyển ion qua chất điện giải lên đến 10 tỷ lần. Hiệu quả thực tế trong pin hoàn chỉnh sẽ được kiểm chứng qua các thử nghiệm tiếp theo.

Pin natri-ion — Hướng đi song song đầy tiềm năng

Một ưu điểm đáng chú ý của chất điện giải thể rắn là khả năng mở đường cho các loại pin không dùng liti. Pin natri-ion — thay thế liti ở cực âm bằng natri — đặc biệt hấp dẫn vì natri không chỉ rẻ hơn và ổn định hơn liti, mà còn có trữ lượng trong vỏ Trái Đất lớn hơn đến 1.000 lần. Tuy nhiên, do nguyên tử natri lớn hơn và nặng hơn liti, chúng khó xâm nhập vào điện cực than chì thông thường, dẫn đến pin nặng hơn và dung lượng thấp hơn. Điện cực cacbon cứng — có cấu trúc xốp cho phép hấp thụ ion natri — cho thấy hiệu suất vượt trội hơn than chì, song vẫn chưa tìm được chất điện giải lỏng phù hợp.

Chất điện giải thể rắn sẽ giúp giải quyết vấn đề này, đồng thời cho phép làm cực âm từ natri kim loại — vốn có tính phản ứng cao — nhờ nguy cơ hình thành dendrite thấp hơn. Điều này đưa mật độ năng lượng từ khoảng 175 Wh/kg (với cực âm cacbon cứng) lên gần 500 Wh/kg.

Một hướng nghiên cứu táo bạo hơn là loại bỏ hoàn toàn cực âm, tạo thêm không gian cho cực dương dày hơn có thể chứa nhiều natri hơn. Khi pin nạp, các ion natri từ cực dương sẽ di chuyển đến bộ thu dòng điện và tích tụ ở đó cho đến khi xả. Về thực chất, cực âm được hình thành tự nhiên trong quá trình vận hành pin.

Sản xuất khô — Cách mạng quy trình chế tạo

Nhịp độ tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực này là kết quả của một cuộc cạnh tranh toàn cầu thực sự, theo nhận định của Shirley Meng, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Chicago. Cuộc đua này cũng có thể làm thay đổi căn bản quy trình sản xuất pin. Hiện tại, pin dùng chất điện giải lỏng được chế tạo bằng cách ngâm điện cực trong bể dung môi và sử dụng lượng năng lượng lớn để sấy khô. Quy trình này tạo ra các lỗ vi mô trên bề mặt pin thể rắn, làm tăng nguy cơ trục trặc, đồng thời gây khó khăn khi chế tạo điện cực dày do sấy khô không đều.

Quy trình sản xuất điện cực khô — trong đó các bột khô được nén lại để tạo thành pin thể rắn — đang ngày càng được chú trọng. Thử nghiệm cho thấy phương pháp này cắt giảm khoảng một nửa mức tiêu thụ năng lượng, giảm khoảng một phần năm chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao hiệu suất tổng thể của pin. Nhiều công ty đang cạnh tranh để hoàn thiện công nghệ này trước, trong đó có Tesla và LG Energy Solution.

Triển vọng thị trường

Phân biệt thực chất với kỳ vọng không phải lúc nào cũng dễ dàng trong lĩnh vực này. Song các diễn biến gần đây cho thấy những cam kết đầy tham vọng có cơ sở để trở thành hiện thực. Contemporary Amperex Technology (CATL), nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới, cho biết sẽ sản xuất pin thể rắn vào năm 2027 và có kế hoạch ra mắt xe điện natri-ion đầu tiên vào giữa năm nay. Samsung tuyên bố sẽ sản xuất đại trà pin thể rắn vào năm 2027; Toyota đưa ra cam kết tương tự. Ford Motors vừa thành lập một bộ phận sản xuất pin trong tháng này và có kế hoạch cung cấp pin quy mô lớn cho các trung tâm dữ liệu và doanh nghiệp công nghiệp vào năm tới.

Trong ngành sản xuất pin, đây là giai đoạn đầy biến chuyển.