Trong vài năm gần đây, pin thể rắn đã được nhắc đến như bước tiến lớn tiếp theo của xe điện vì có khả năng tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của loại xe này. Dù các hãng sản xuất ô tô và nhà cung cấp pin đang tìm tới công nghệ này cho cuộc đua xe điện, nhưng các báo cáo về tính khả thi của chúng vẫn còn khá mâu thuẫn. Tháng 1/2024, các nhà khoa học từ Đại học Harvard đã phát triển một loại pin thể rắn mới có thể sạc đầy trong 10 phút mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Nhưng vào tháng 4/2024, Tiến sĩ Robin Zeng, CEO CATL, cho biết pin thể rắn không an toàn và chúng không phải là giải pháp khắc phục tất cả nhược điểm mà mọi người đang hy vọng, các kỹ sư trong công ty ông đã làm việc cật lực trong 10 năm mà không đạt được bước tiến thật sự nào.
Hầu hết các thiết bị điện tử như ô tô, điện thoại, máy tính bảng và máy tính xách tay đều sử dụng pin lithium-ion. Loại pin này sử dụng chất điện phân lỏng có các ion chảy qua nó. Các ion chảy theo một hướng khi sạc và theo hướng khác khi phóng điện. Pin thể rắn về cơ bản là thay thế chất lỏng nói trên bằng chất rắn, nhưng có chút phức tạp hơn vì về mặt kỹ thuật, pin thể rắn không cần phải phụ thuộc vào lithium. Pin thể rắn có thể sử dụng sunfua hoặc gốm sứ, mặc dù phải nói rằng hầu hết pin thể rắn hiện đang được phát triển vẫn phụ thuộc nhiều vào carbon, titanate, phốt phát và lithium kim loại. Lithium kim loại được sử dụng làm cực dương trong khi oxit hoặc sunfua được sử dụng cho cực âm.
Pin thể rắn không phải là một khái niệm mới
Michael Faraday lần đầu tiên phát hiện ra chất điện phân rắn vào những năm 1830 nhưng không làm gì với nghiên cứu này. Năm 1986, Keiichi Kanehori đã chế tạo ra một loại pin thể rắn màng mỏng, nhưng nó không thể cung cấp năng lượng cho bất cứ thứ gì lớn hơn một chiếc đồng hồ nên nghiên cứu này đã bị gác lại. Cha đẻ thực sự của pin thể rắn là John Goodenough, người cũng là cha đẻ của pin lithium-ion. Goodenough qua đời vào năm 2023, thọ 100 tuổi. Ông đã dành phần lớn cuộc đời mình cho việc nghiên cứu pin và vào năm 2017, ông đã giới thiệu loại pin được cho là pin thể rắn đầu tiên trên thế giới.
Pin thể rắn có tuổi thọ dài hơn
Vì còn khá mới nên không phải tất cả các thuộc tính tích cực của pin thể rắn đều đã được chứng minh một cách khoa học đồng thời một số vẫn đang trong giai đoạn lý thuyết. Năm 2023, nguyên mẫu pin thể rắn của Volkswagen và Quantumscape đã được thực hiện một số thử nghiệm thông qua bộ phận pin nội bộ PowerCo. Sau 1.000 chu kỳ sạc (hơn 499.000 km), bộ pin thể rắn này của Volkswagen và Quantumscape chỉ mất 5% dung lượng lưu trữ. Tiêu chuẩn chấp nhận được hiện nay là hao hụt 20% sau 700 chu kỳ sạc.
Theo nghiên cứu mới nhất được thực hiện bởi The Zebra, trung bình người Mỹ dùng một chiếc xe trong khoảng 8 năm hoặc khoảng 320.000 km. Pin lithium-ion truyền thống chỉ nhỉnh hơn ngưỡng đó một chút, trong khi về mặt lý thuyết, pin thể rắn vượt xa con số đó.
Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn
Công nghệ pin lithium-ion hiện tại đã đạt đến mức cao nhất khi xét về mật độ năng lượng. Mật độ này về cơ bản là lượng năng lượng bạn nhận được trên mỗi kg trọng lượng. Giới hạn mật độ cho pin truyền thống hiện nay là 350Wh/1kg. Trong khi pin thể rắn có thể cung cấp tới 500Wh/1kg. Đó là mức chênh lệch khoảng 30% khi sử dụng cùng một trọng lượng.
Ví dụ, bộ pin của Tesla Model Y Long Range nặng 771 kg, cho phép xe di chuyển 499 km trong 1 lần sạc đầy. Nếu Tesla thay thế bộ pin hiện tại bằng pin thể rắn có trọng lượng tương đương, phạm vi vận hành của chiếc xe sẽ tăng thêm 150 km, đưa nó lên vị trí cao hơn trong danh sách những mẫu xe điện có phạm vi hoạt động dài nhất. Điều quan trọng hơn nữa là ngay cả sau một thời gian sử dụng (321.870 km), về mặt lý thuyết, chiếc Model Y với pin thể rắn sẽ có phạm vi hoạt động còn lại nhiều hơn những chiếc xe mới hiện tại.
Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ thể rắn để chế tạo pin có trọng lượng tương tự là một bước đi không cần thiết. Một người trung bình chỉ đi lại 67,5 km mỗi ngày, vì vậy phạm vi di chuyển từ 402-483 km là hoàn toàn đủ mà không cần đến phạm vi lớn nhất có thể.
Nhờ mật độ năng lượng cao hơn so với công nghệ pin hiện tại, rất có khả năng các hãng sản xuất sẽ sử dụng lợi thế này để tạo ra một bộ pin nhỏ hơn và nhẹ hơn qua đó giảm kích thước và trọng lượng của xe điện. Trọng lượng là một trong những kẻ thù lớn nhất của mọi chiếc ô tô. Một chiếc ô tô nặng cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển khi có lực cản lăn lớn hơn, dẫn đến lốp bị mòn nhanh hơn.
Pin thể rắn sạc nhanh hơn
Sau hơn 1 thập kỷ phát triển, thời gian sạc trung bình cho ô tô điện vẫn nằm ở khoảng 20-40 phút, và điều này cũng khá bất tiện cho những hành trình dài. Như đã nói ở đầu bài viết, các nhà khoa học của Harvard đã phát triển một loại pin thể rắn có thể sạc đầy trong vòng 10 phút. Điều đó nghe hấp dẫn và gần gũi hơn nhiều so với 5 phút tiếp nhiên liệu cho một chiếc xe động cơ đốt trong. Nếu sạc 2 lần trong một ngày, người dùng chỉ mất 20 phút, giảm một nữa so với công nghệ pin hiện tại. Không chỉ các nhà khoa học của Harvard đưa ra khẳng định đó, pin thể rắn Gen 1 của Toyota cũng được hứa hẹn là có tốc độ sạc tương tự khi chúng xuất hiện vào năm 2027-2028.
Pin thể rắn thân thiện hơn với môi trường
Transport & Environment, một công ty chuyên phân tích vòng đời của nguyên liệu thô, nhận thấy rằng pin thể rắn có thể giảm 39% lượng khí thải carbon của ô tô điện. Như hầu hết mọi người đều biết, không có cái gọi là ô tô không phát thải, kể cả xe điện. Pin thể rắn nhỏ hơn sẽ đòi hỏi ít nguyên liệu thô hơn và tiết kiệm được nhiều hơn. Pin thể rắn sẽ cần nhiều lithium hơn 35% nhưng ít than chì và coban hơn.
Pin thể rắn an toàn hơn
Các chất điện phân lỏng của pin lithium-ion rất dễ cháy và là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thoát nhiệt. Các vụ cháy xe điện cũng tình cờ trở thành một trong những việc gây tranh cãi chính của những người phản đối xe điện. Ở trạng thái rắn, các chất điện phân này không dễ cháy và có thể chịu được nhiệt độ cao hơn. Vì vậy, mặc dù không có nghiên cứu nào chứng minh bằng thực nghiệm rằng xe điện dễ bắt lửa hơn động cơ đốt trong, nhưng pin thể rắn ít nhất cũng xoa dịu những ý kiến trái chiều về vấn đề này.
Với những ưu điểm trên, tại sao pin thể rắn vẫn chưa được trang bị trên mọi chiếc ô tô ngoài kia. Một chiếc Mustang Mach-E Rally với phạm vi hoạt động gấp đôi, hay một chiếc Lucid Air với phạm vi hoạt động hơn 1.600 km, xóa tan nỗi lo về phạm vi vận hành mãi mãi nghe có vẻ thật tuyệt vời về mặt lý thuyết. Nhưng cũng như tất cả các công nghệ mới, pin thể rắn không thể tránh khỏi gặp phải những vấn đề ngay trong giai đoạn đầu. Thật không may, những trở ngại ban đầu này khá nghiêm trọng, dẫn đến một số nhà sản xuất ô tô thậm chí không còn mặn mà hoặc phải trì hoãn kế hoạch ra mắt sớm nhất đến năm 2030. Nhược điểm lớn nhất ở giai đoạn này là:
Các nhà khoa học chưa hiểu hết về pin trạng thái rắn
Một trong những nguyên nhân chính khiến pin thể rắn chưa được ứng dụng thương mại là do một hiện tượng gọi là hiệu ứng "lớp điện kép" (EDL). Theo giải thích của Science Daily, đó là "sự phân tán cực nhỏ của một loại hạt vào một chất khác". Giải thích đơn giản hơn, hiện tượng này tạo ra một lớp cản trở dòng điện giữa cực dương và chất điện phân rắn. Chúng trở nên trầm trọng hơn khi tiếp xúc với không khí và các nhà khoa học cần tìm ra giải pháp cho vấn đề này.
Tiến sĩ Tohru Higuchi, Phó Giáo sư tại Đại học Khoa học Tokyo, giải thích: "Điều này xảy ra ở bề mặt phân cách chất điện phân rắn, gây ra vấn đề cho các pin lithium ở trạng thái rắn."
Việc giới thiệu pin thể rắn chậm hơn dự kiến có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho công nghệ này vì đây không phải là giải pháp thay thế duy nhất hiện có. Những loại pin khác bao gồm pin lithium-lưu huỳnh, pin không coban, pin natri-ion và pin sắt-không khí, tất cả đều sẵn sàng trở thành giải pháp phù hợp. Ngoài ra, pin thể rắn còn phải cạnh tranh với các giải pháp thay thế giúp duy trì quá trình đốt cháy, ví dụ như nhiên liệu tổng hợp.
Chi phí công nghệ quá nhiều
Giống như hầu hết các công nghệ mới, cần có thời gian để giảm chi phí. Công nghệ BEV truyền thống đã được sử dụng hơn 1 thập kỷ và vẫn còn nhiều năm nữa mới có được sự ngang bằng về giá. Để pin thể rắn có giá phải chăng hơn, quá trình sản xuất phải phát triển mạnh hơn, nhưng điều đó sẽ không sớm xảy ra. Như Toyota đã nói, lô xe đầu tiên sử dụng công nghệ pin thể rắn sẽ chỉ gồm "vài chục nghìn xe". Con số này nghe có vẻ nhiều nhưng Toyota đã sản xuất hơn 11 triệu xe vào năm ngoái, và so với con số đó thì hàng chục nghìn chỉ là một tỷ lệ nhỏ.
Pin thể rắn không thể hoạt động khi trời lạnh hoặc dưới áp suất 250 MPa
Pin lithium-ion truyền thống đã không thể hoạt động tối ưu trong thời tiết lạnh, nhưng pin thể rắn lại gặp thêm một lớp phức tạp khác. Các hãng sản xuất ô tô hiện đang sử dụng hệ thống quản lý nhiệt để giữ cho các bộ pin ở nhiệt độ hoạt động tối ưu. Tuy nhiên, không thể sử dụng các hệ thống tương tự này cho bộ pin trạng thái rắn vì các thành phần phải được lưu trữ dưới áp suất rất lớn để giữ cho các sợi nhánh bất thường không hình thành. Áp suất này cần lớn hơn 250 MPa, tương đương với việc 250 triệu tờ tiền xếp chồng lên ngực.
Các sợi Dendrite phiền phức
Lithium rắn là một phần rất quan trọng của pin thể rắn. Nhưng lithium ở trạng thái này có xu hướng phát triển các sợi nhánh không đồng đều, chỉa theo các hướng bất kỳ và rất sắc bén, có thể làm thủng các bộ phận khác bên trong bộ pin dưới áp suất lớn. Các nhà khoa học Harvard từng khẳng định nguyên mẫu pin thể rắn của họ có khả năng chống lại các sợi nhánh này tốt hơn bằng cách sử dụng các hạt silicon có kích thước micron ở những khu vực các ion bám vào trong quá trình sạc. Nhưng việc mở rộng quy mô đó lên đến mức đủ để toàn bộ ngành công nghiệp ô tô chuyển sang sử dụng pin thể rắn lại là một thách thức khác.
Pin thể rắn chỉ thân thiện với môi trường trong điều kiện phù hợp
Theo nghiên cứu của Transport & Environment, pin thể rắn có thể giảm 39% lượng khí thải carbon của xe điện. Tuy nhiên điều này sẽ chỉ xảy ra nếu một số chính phủ có thể đồng ý với quy định làm sạch quá trình sản xuất lithium. Những phương pháp và mô hình khai thác mới, như giếng địa nhiệt, sẽ làm giảm đáng kể tác động đến môi trường. Trung Quốc đang là nước sản xuất lithium lớn nhất thế giới và đã có sẵn cơ sở hạ tầng khai thác đá cứng khổng lồ. Liên minh Châu Âu cũng muốn triển khai một hệ thống cung cấp nguồn lithium bền vững, nhưng EU không có quyền kiểm soát đối với Trung Quốc. Những ý tưởng này đều tốt nhưng hoàn toàn không có giá trị gì nếu không thể thuyết phục Trung Quốc thay đổi hoàn toàn cơ sở hạ tầng khai thác mỏ.
Pin thể rắn không an toàn tuyệt đối
CEO CATL đã gây chú ý lớn khi tuyên bố rằng pin thể rắn không thực tế và không an toàn. Theo Tiến sĩ Robin Zeng, còn được gọi là Vua pin, pin thể rắn có vấn đề về điều áp, điều này cũng gây nguy hiểm khi sạc vì pin bị giãn nở, đồng thời các kỹ sư không thể giải quyết vấn đề áp suất vì các sợi nhánh đã đề cập ở trên.
Mặc dù những loại pin này không bắt lửa nhưng chúng được cho là mối đe dọa lớn hơn đối với người lái xe và hành khách. Nếu pin bị thủng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chất bên trong sẽ phản ứng với oxy, tạo ra Lithium Hydroxide, rất độc đối với con người. Về cơ bản, người trong xe sẽ bị lơ lửng trong bong bóng khói độc và đội ứng cứu khẩn cấp sẽ không thể tiếp cận họ vì điều đó.
Bước ngoặt thay đổi tương lai xe điện của pin thể rắn đang bị nghi ngờ
Danh sách các lợi thế của pin thể rắn hẳn rất ấn tượng, nhưng có thể nói hầu hết chúng chỉ mang tính lý thuyết. Và những minh chứng nhỏ thu về chỉ mới được thực hiện trong phòng thí nghiệm chứ không phải ở thế giới thực. Việc giới thiệu công nghệ liên tục bị hoãn lại cũng là điều đáng lo ngại. Từ nay đến năm 2030, rất nhiều điều có thể xảy ra. Những bước tiến lớn cũng đang diễn ra trong các công nghệ pin khác và còn chưa kể đến đến những thay đổi chính trị có thể khiến toàn bộ phân khúc xe điện trở nên hỗn loạn.
Mối quan tâm lớn nhất hiện tại là những trở ngại mà công nghệ vẫn cần phải vượt qua. Các nhà khoa học thực sự chưa hiểu hết về pin thể rắn, điều đó có nghĩa là một giải pháp khả thi vẫn chưa sẵn sàng. Thứ hai, áp suất là một vấn đề không nhỏ. Giảm áp suất sẽ gây ra một vấn đề lớn, còn việc tăng áp suất sẽ dẫn đến nhiều vấn đề hơn. Ngoài ra, còn có nhiều nghịch lý ngoài tầm kiểm soát khác.
Với những trở ngại đó, liệu chúng ta có hoàn toàn chấp nhận từ bỏ công nghệ này không? Vẫn chưa, bởi vì con người đã không ngừng nghĩ ra nhiều công nghệ tuyệt vời trong thập kỷ qua. Ví dụ như Tesla Model S có phạm vi vận hành 426 km, trong khi hiện nay Lucid Air với công suất hơn 800 mã lực có thể đi được tới 830 km giữa các lần sạc đầy.
: