Tại sao tất cả những "đột phá" về pin đều chưa thực sự "đột phá"

Nếu bạn tìm kiếm với từ khoá “battery” và “breaking through” (pin và đột phá), có ~ 70 triệu kết quả trả về. Tuy nhiên, theo các chuyên gia, việc sử dụng từ đột phá là không phản ánh đúng sự thật.

Pin là một phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Hiệu suất của chúng quyết định nhiều thói quen sử dụng thiết bị điện tử của người dùng, gần đây là phạm vi sử dụng của xe điện. Nhu cầu lưu trữ năng lượng (năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió…) cũng tăng cao. Tất cả những điều này làm tăng nhu cầu về pin, biến chủ để này thành một trong những lĩnh vực “nóng”.


Xin Li, một giáo sư tại Đại học Harvard, gần đây xuất bản báo trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature cho biết: “Mọi người thích sự đột phá, nhưng khi viết bản thảo, chúng tôi cố gắng tránh sử dụng những từ này. Có quá nhiều 'đột phá' về pin trong 5 năm qua nhưng không nhiều trong số đó có thể được thương mại hoá”

Nhiều thập kỷ kể từ khi pin lithium-ion được thương mại hóa lần đầu tiên vào năm 1991 đã chỉ ra rằng những đột phá thực sự là rất ít và còn rất xa. Marc Tarpenning, co-founder của Tesla cho biết: “Khi thành lập Tesla vào năm 2003, đã 19 năm trôi qua và chúng tôi vẫn chưa có một bước thay đổi nào về dung lượng pin - nó chỉ tăng ở mức 7% đến 8% mỗi năm.”

Phản ứng điện hoá diễn ra bên trong pin lithium-ion rất phức tạp, xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau khi trong quá trình xả và sạc, và phải lặp lại trong càng nhiều chu kỳ càng tốt. Có nhiều cách tiếp cận mà về mặt lý thuyết có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba dung lượng của các loại pin hiện có đã không hoạt động đủ tốt sau một vài chu kỳ sạc. Một ví dụ điển hình là pin lithium-sulfur, trên lý thuyết có thể có dung lượng gấp ~8 lần so với pin lithium-ion hiện tại do dung lượng rất cao của vật liệu cực dương là sulfur (1672 mAh/g) so với vật liệu NCM hoặc LFP trong pin lithium-ion (<200 mAh/g). Nhưng vấn đề là nó sẽ xuống cấp nhanh chóng sau chỉ một hoặc hai chu kỳ sạc. Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu những cách mới để sản xuất và hiểu cách các thành phần khác nhau trong pin phản ứng với nhau. Vì công nghệ pin phụ thuộc vào các phản ứng hóa học phức tạp, có nhiều phản ứng trung gian nên trên thực tế có rất nhiều điều chúng ta vẫn chưa biết về cách thức pin hoạt động như thế nào.

Hầu hết các loại pin được sản xuất ngày nay đều được sử dụng cho xe điện chứ không phải thiết bị điện tử, do pin như là “trái tim”, quyết định phạm vi hoạt động của xe điện. Bộ pin (pack) nhỏ nhất mà Tesla sản xuất có năng lượng tương đương với pin trong 1.666 chiếc iPhone; trong khi con số này là 7000 đối với xe Hummer điện. Do đó, xe điện chính là động lực chính dẫn đến tăng cao nhu cầu về pin và yêu cầu của các nhà sản xuất ô tô là tiêu chuẩn mà các nhà sản xuất pin phải đáp ứng.
Tuy nhiên, các yêu cầu của các nhà sản xuất ô tô thường không được phản ánh theo cách mà các nhà nghiên cứu và công ty khởi nghiệp báo cáo hiệu suất của pin của họ. Thật dễ để tạo ra một loại pin trong phòng thí nghiệm hoạt động tốt, những kết quả báo cáo như vậy thường là một kiểu kiểm tra thủ công trong điều kiện lý tưởng. Nhưng thực tế là một quá trình phức tạp, chúng cần cung cấp năng lượng để khởi động, tăng tốc, tích trữ nhiều năng lượng trên mỗi gram khối lượng để có thể sử dụng xa hơn, kéo dài hàng nghìn chu kỳ sạc và xả, hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng và không dễ cháy nổ khi bị hư hỏng.

Ngoài ra, giá thành của pin cũng không thể đắt quá, thứ cũng quyết định một phần giá thành của xe điện. Ngay cả khi một công nghệ pin mới đầy hứa hẹn có thể vượt qua mọi thử nghiệm, thì một thách thức khác cũng lớn không kém là sản xuất. Rất nhiều tiền đổ vào nghiên cứu và phát triển các công nghệ pin lithium-ion mà các đối thủ gần như không thể bắt kịp, nhưng nó khó có thể được sản xuất trong các nhà máy hiện nay. Việc thương mại hóa các công nghệ pin mới ở quy mô nhu cầu của các nhà sản xuất ô tô có thể đòi hỏi hàng tỷ đô la đầu tư. Ngoài ra còn nhiều thách thức, cần rất nhiều thời gian, chưa kể đến những trở ngại không lường trước trong quá trình chuyển giao quy mô, công nghệ. Một lưu ý là với sự phát triển của xe điện hiện nay, bên cạnh việc tái sử dụng pin xe điện cho các mục đích khác thì việc phát triển một quy trình “xanh” và hiệu suất cao để thu hồi, tái chế pin là rất cấp bách.


Một vấn đề lớn trong pin xe điện là làm mát các bộ pin lớn. Điều rất quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn, đồng thời chiếm một lượng đáng kể thể tích và trọng lượng của những bộ pin này.



Kết quả là, ngay cả khi những “bước đột phá” nào đó về công nghệ pin được đưa ra thị trường, chúng có thể chỉ là một phần nhỏ của thể hệ pin tiếp theo, so với việc tăng dung lượng của các bộ pin hiện tại cái mà vẫn tiếp tục tốt nên từng ngày.
Tarpenning kết luận: “Vào thời điểm cuối cùng khi đưa những công nghệ đó vào sản xuất, có thể là: Ồ, đó chỉ là một cải tiến 8% nữa”

Theo WSJ