- Theo tác giả bài viết dưới đây, ông Matthew Borst - Giám đốc Thương hiệu, ngành Ô tô tại Keysight Technologies - việc có nhiều loại pin để lựa chọn sẽ cho phép các nhà sản xuất ô tô cung cấp các loại phương tiện đáp ứng đúng nhu cầu và sở thích cụ thể của thị trường…

Ngành công nghiệp ô tô đang trải qua quá trình chuyển đổi cơ bản từ động cơ đốt trong sang hệ truyền động được điện khí hóa. Quá trình này hiện đang phải đối mặt với một số vấn đề nghiêm trọng, nhưng quá trình phát triển của công nghệ pin xe điện (EV) thế hệ tiếp theo vẫn trên đà tiến triển. Tin tức về những tiến bộ về công nghệ pin thể rắn, natri-ion hoặc kim loại-không khí (metal-air) xuất hiện hàng tuần trên các phương tiện thông tin đại chúng. Vậy có giải pháp duy nhất nào trong số đó có thể giúp xe EV thống trị được thị trường, hay cần tổ hợp nhiều giải pháp?

Lithium-ion hiện là lựa chọn ưu tiên của các nhà sản xuất ô tô cho pin xe điện, nhưng công nghệ này gặp phải nhiều hạn chế khi sử dụng trên ô tô. Những lo ngại về phạm vi hoạt động của pin, giá cả, tốc độ sạc, tuổi thọ cũng như vấn đề khai thác và an toàn tiếp tục cản trở sử dụng pin lithium-ion trong xe điện. Đồng thời với những nỗ lực loại bỏ các hạn chế này, các nhà phát triển cũng đang khám phá những chất hóa học khác có thể sử dụng làm pin.

Trạng thái rắn, lựa chọn an toàn hơn

Pin thể rắn giải quyết được một mối lo ngại quan trọng - sự an toàn của chất điện phân lỏng được sử dụng trong pin lithium-ion. Những chất điện phân này có nguy cơ gây cháy nổ trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc quá nóng. Pin thể rắn thay thế chất lỏng bằng chất điện phân rắn từ polymer hoặc gốm, mang lại độ ổn định nhiệt vượt trội. Pin thể rắn cũng cho phép nâng cao mật độ điện cực khi đóng gói, có thể làm tăng đáng kể dung lượng pin. Chất điện phân rắn giúp cho các ion trong pin chuyển động nhanh hơn, rút ngắn đáng kể thời gian sạc xe điện. Pin thể rắn cũng có tuổi thọ cao hơn so với lithium-ion nhờ việc giảm thiểu nguy cơ hình thành dendrite.

Những lợi ích này giúp tăng phạm vi vận hành, rút ngắn thời gian sạc và kéo dài tuổi thọ cho xe điện. Các doanh nghiệp như Toyota và Samsung đã đầu tư đáng kể vào công nghệ này, nhằm mục đích thương mại hóa vào cuối thập kỷ này. Tuy nhiên, pin thể rắn vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức.

Quá trình sản xuất pin thể rắn hiện nay phức tạp và đắt. Giảm chi phí để mở rộng quy mô sản xuất cho áp dụng đại trà đòi hỏi phải liên tục có những khám phá mới. Việc phát triển chất điện phân thể rắn vẫn tiếp tục nhưng vẫn còn rào cản kỹ thuật đối với việc tối ưu hóa độ dẫn điện và khả năng tương thích với vật liệu điện cực. Bất chấp những thách thức này, pin thể rắn có tiềm năng to lớn để giải quyết mối lo ngại về phạm vi vận hành của xe điện và cải thiện trải nghiệm sạc, khiến công nghệ này có thể thay đổi cục diện của việc phổ biến rộng rãi xe điện.

Natri-Ion, lựa chọn kinh tế

Pin natri-ion là một lựa chọn hấp dẫn khác cho xe điện. Natri rẻ hơn đáng kể và nguồn cung dồi dào hơn lithium. Nhờ đó có thể giảm chi phí sản xuất pin, dỡ bỏ rào cản quan trọng đối với việc đưa xe điện tới đa số người tiêu dùng. Sự dồi dào của natri cũng làm giảm sự phụ thuộc vào khai thác lithium, hoạt động vốn gây lo ngại về môi trường và đạo đức. Khác với pin lithium-ion bị giảm hiệu suất trong thời tiết lạnh giá, pin natri-ion duy trì hiệu suất rất tốt ở nhiệt độ thấp, khiến chúng trở thành lựa chọn phù hợp cho những vùng có mùa đông khắc nghiệt.

Matthew Borst là Giám đốc Thương hiệu, ngành Ô tô tại Keysight Technologies. Công việc của ông là xây dựng và triển khai chiến lược giúp Keysight có tư duy dẫn đầu trong ngành ô tô về các công nghệ mới nổi như pin và bộ sạc xe điện, giả lập năng lượng, radar, lidar, C-V2X…

Tuy nhiên, pin natri-ion cũng có hạn chế. Hiện tại, mật độ năng lượng của pin natri-ion thấp hơn so với lithium-ion - rút ngắn phạm vi vận hành của xe. Ngoài ra, pin natri-ion thường có tốc độ sạc chậm hơn so với pin lithium-ion. Đây có thể là một nhược điểm lớn đối với những người cần sạc nhanh. Do nghiên cứu mới bắt đầu không lâu, lĩnh vực này còn cần tiếp tục phát triển để tối ưu hóa hiệu suất pin natri-ion.

Nhìn chung, pin natri-ion cung cấp giải pháp thay thế bền vững và tiết kiệm cho các phân khúc cụ thể trên thị trường xe điện. Các công ty như BYD, CATL và Faradion đang đầu tư vào phát triển pin natri-ion. Công nghệ này có tiềm năng đóng vai trò bổ trợ quan trọng cho pin lithium-ion và đa dạng hóa thị trường xe điện, giúp đưa xe điện trở thành giải pháp giao thông bền vững và dễ tiếp cận hơn.

Kim loại-Không khí, lựa chọn bền vững

Một loại pin cho xe điện mới nổi khác đang được phát triển là kim loại-không khí, bao gồm các công nghệ như kẽm-không khí, nhôm-không khí và sắt-không khí. Giống như pin trạng thái rắn, thành phần hóa học của pin kim loại-không khí có mật độ năng lượng tiềm năng cao hơn đáng kể so với pin lithium-ion - giúp mở rộng phạm vi vận hành cho xe điện. Một số loại pin kim loại-không khí nhất định, chẳng hạn pin kẽm-không khí, sử dụng các nguyên tố sẵn có, loại bỏ nhu cầu về chất điện phân phức tạp và có khả năng gây hại, mang lại một lựa chọn bền vững hơn. Nguồn nguyên vật liệu dồi dào cũng hứa hẹn khả năng giảm giá thành sản xuất pin.

Tuy nhiên, giống như tất cả các lựa chọn khác về pin, pin kim loại-không khí cũng phải đối mặt với nhiều khó khăn thách thức đáng kể trước khi được triển khai rộng rãi trên thị trường xe điện. Tuổi thọ của pin kim loại-không khí hiện nay ngắn hơn so với pin lithium-ion, và việc sạc lại thường xuyên có thể làm giảm đáng kể dung lượng pin. Pin lithium-air và một số loại pin kim loại-không khí khác, như nhôm, đều phải đối mặt với vấn đề hình thành dendrite kim loại. Những vật chất này có thể làm hỏng và giảm tuổi thọ pin. Pin kim loại-không khí cần luồng không khí liên tục để hoạt động, đòi hỏi hệ thống lọc và hút không khí hiệu quả, do đó làm tăng độ phức tạp của thiết kế hệ thống và mức tiêu thụ năng lượng.

Mặc dù vậy, pin kim loại-không khí vẫn mang lại cho tương lai của xe điện nhiều cơ hội đáng quan tâm do mật độ năng lượng lý tưởng cao và tiềm năng về một phương pháp tiếp cận bền vững hơn. Các cơ hội này đã thúc đẩy các công ty như Duracell, Rayovac và Nantenergy đầu tư vào phát triển pin kim loại-không khí. Nhìn chung, kim loại-không khí là công nghệ pin đầy hứa hẹn cho tương lai của xe điện, nhưng cần tiếp tục cải tiến trước khi các loại pin này có thể cạnh tranh hiệu quả với công nghệ lithium-ion trên thị trường phổ thông.

Cách tiếp cận đa dạng hơn

Ngành công nghiệp ô tô và hóa chất đang nghiên cứu nhiều công nghệ pin mới với nhiều loại hóa chất và cấu trúc. Đây là điều có lợi cho sự phát triển của xe điện, vì cần có một cách tiếp cận đa dạng để có thể đáp ứng các yêu cầu thị trường và phương án sử dụng khác nhau.  Như công nghệ đốt trong có nhiều lựa chọn - bao gồm tăng áp, phun nhiên liệu trực tiếp và bố trí xi-lanh - pin xe điện cũng sẽ có nhiều lựa chọn để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Mặc dù pin lithium-ion sẽ tiếp tục là lựa chọn chủ đạo cho xe điện trong thời gian tới, nhưng đây sẽ không phải là giải pháp duy nhất cho tương lai điện khí hóa của lĩnh vực này.

Việc có nhiều loại pin để lựa chọn sẽ cho phép các nhà sản xuất ô tô cung cấp các loại phương tiện đáp ứng đúng nhu cầu và sở thích cụ thể của thị trường. Mặc dù phạm vi vận hành và thời gian sạc của xe điện hiện tại vẫn còn hạn chế, nhưng việc thử nghiệm và phát triển các loại pin có cấu tạo khác nhau mang lại cho lĩnh vực này cơ hội tốt nhất để vượt qua những rào cản này. Bởi vì một khi những rào cản đó được dỡ bỏ, quá trình chuyển đổi sang điện khí hóa sẽ diễn ra mạnh mẽ và nhanh chóng.