Bên trong nhà máy tý hon nơi GM xây dựng tương lai xe điện

Nếu bạn lái xe ngang qua khuôn viên rộng 710 mẫu Anh của GM tại Warren, bang Michigan, có lẽ bạn sẽ chẳng để ý đến hai tòa nhà trắng trông giống hệt nhau nằm khuất ở góc xa. Bên trong hai tòa nhà có tổng diện tích nửa triệu foot vuông ấy là một công trình xây dựng đồ sộ vẫn đang dang dở. Khi hoàn thiện, nơi đây sẽ là Trung tâm Phát triển Tế bào Pin (Battery Cell Development Center – BCDC) mới của GM – nơi hãng xe Mỹ đang ráo riết chế tạo các tế bào pin nguyên mẫu với mục tiêu cắt giảm mạnh chi phí xe điện.

GM buộc phải chế tạo nhanh hơn và rẻ hơn để đạt mục tiêu bán xe điện giá phải chăng với số lượng lớn hơn nhiều. Những mẫu xe này sẽ phải cạnh tranh không chỉ với Tesla – hãng dẫn đầu doanh số lâu năm – mà còn với làn sóng xe điện Trung Quốc, thứ sớm muộn gì cũng sẽ tràn vào thị trường Mỹ.

Vì sao GM cần một nhà máy tý hon?

Hiện GM bán xe điện tại Mỹ nhiều hơn bất kỳ hãng nào khác ngoài Tesla, nhưng phần lớn danh mục sản phẩm vẫn quá đắt đỏ bởi bộ pin chiếm tới 30-40% tổng chi phí. Đây chính là bài toán mà BCDC được sinh ra để giải quyết.

Kỹ sư kiểm tra hệ thống cán ép cuộn tại Trung tâm Phát triển Tế bào Pin của GM. Ảnh: GM

Trong chuyến tham quan đầu tháng 9, sau khi đội mũ bảo hộ, đeo kính an toàn và khoác áo phản quang, tôi tận mắt chứng kiến những cỗ máy GM sẽ dùng để tạo ra loại pin mới, rẻ hơn: các bồn trộn hỗn hợp nguyên liệu khổng lồ, máy phủ vật liệu điện cực lên màng phim, cùng hàng loạt thiết bị cho hàng chục công đoạn khác trong quá trình biến khoáng sản thành tế bào pin lưu trữ và cung cấp năng lượng. Nhà máy tôi tham quan là một cơ sở sản xuất khối lượng thấp, cho phép các kỹ sư tạo nguyên mẫu phục vụ cho dây chuyền sản xuất quy mô lớn trong tương lai tại những nhà máy tỷ đô.

Cơ sở mới cho thấy GM đang chơi một ván cờ dài hạn, nỗ lực phát triển các loại tế bào pin sử dụng ít hơn – hoặc không cần – những khoáng sản mà Trung Quốc đang kiểm soát trên toàn cầu. Dù các nhà khoa học Mỹ khởi nguồn cho phần lớn nghiên cứu về những hóa học pin mới, chính các công ty châu Á mới là bên phát triển, tinh chỉnh và đưa chúng vào sản xuất hàng loạt.

Nỗ lực kéo dài 15 năm của Trung Quốc đã giúp nước này nắm quyền kiểm soát toàn cầu về nguồn cung và chế biến các loại khoáng sản dùng trong pin hiện nay – đặc biệt là cobalt, nickel và đất hiếm. Điều đó đồng nghĩa các loại pin tương lai buộc phải dùng khoáng sản khác để thoát khỏi sự thống trị này. Một ví dụ: tế bào LMR (lithium manganese-rich) mới của GM sử dụng rất ít cobalt và nickel. Ví dụ thứ hai: mùa xuân năm nay, GM công bố hợp tác với startup Peak Energy để phát triển tế bào sodium-ion cho hệ thống lưu trữ năng lượng.

Đưa những hóa học pin mới từ phòng thí nghiệm ra sản xuất hàng loạt có thể mất cả thập kỷ. Nhưng GM không có nhiều thời gian đến vậy.

Điểm giao thoa giữa phòng thí nghiệm và sản xuất

Vào tháng 6, "trùm pin" của GM là Kurt Kelty nói với tôi rằng BCDC sẽ đóng vai trò "cây cầu quan trọng từ phòng R&D đến sản xuất" bằng cách kết hợp mô hình hóa ảo, khả năng thử nghiệm thực tế và dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ. Mục tiêu là lấp đầy mắt xích còn thiếu giữa việc tạo ra, tạo nguyên mẫu tế bào pin mới và đưa chúng vào sản xuất khối lượng lớn.

Người đứng đầu BCDC, Mo Gallegos, ước tính tổng chi phí lên tới 900 triệu USD. Ở công suất tối đa, BCDC có thể sản xuất 4-5 gigawatt-giờ tế bào pin. Nhưng mục tiêu không phải số lượng, mà là chất lượng.

Bên trong phòng thí nghiệm rộng 500.000 foot vuông, tôi thấy phần lớn máy móc cần thiết để chế tạo một tế bào pin, từ trộn hỗn hợp nguyên liệu để tạo lớp phủ hình thành điện cực, cho đến phần cứng sạc giúp tế bào pin hoàn thiện được nạp năng lượng lần đầu. Nhà máy tý hon này sẽ phục vụ nhiều loại hóa học pin và nhiều định dạng khác nhau, bắt đầu với tế bào lăng trụ (prismatic).

Cận cảnh vật liệu lá pin trước khi được đưa vào công đoạn lắp ráp tế bào. Ảnh: GM

Mục đích của nó là kiểm tra các quy trình sản xuất tế bào pin công nghiệp, chứng minh và tối ưu hóa kỹ thuật cũng như công thức sản xuất trước khi áp dụng ở quy mô lớn. Dù BCDC sẽ sản xuất tế bào pin thật, hoạt động được, nhưng với khối lượng thấp hơn nhiều và tốc độ chậm hơn so với dây chuyền tại các nhà máy quy mô lớn. Các kỹ sư pin của GM sau đó sẽ chuyển giao kiến thức thu được cho những đối tác sản xuất để đưa thiết kế mới lên quy mô hàng loạt.

Những đối tác này nhiều khả năng gồm hai nhà máy do Ultium Cells LLC vận hành – liên doanh sản xuất pin giữa GM và đối tác LG Energy Solution. Nhà máy đầu tiên ở Warren, Ohio, khai trương năm 2022, sản xuất tế bào dạng túi (pouch) nickel-manganese-cobalt-aluminium cỡ lớn cho dòng xe điện của GM (trừ mẫu Bolt 2027). Nhà máy thứ hai ở Spring Hills, Tennessee, mở đầu năm 2024, hiện sản xuất tế bào lithium-ion phosphate cho hệ thống lưu trữ năng lượng.

Bốn giai đoạn để đưa một tế bào pin ra thị trường

BCDC dự kiến sản xuất những tế bào thử nghiệm đầu tiên – pin LMR dạng lăng trụ – vào quý IV năm nay. Nhưng chúng sẽ chưa được sản xuất hàng loạt tại nhà máy Ultium ở Spring Hill cho đến năm 2028.

Có thể hình dung việc đưa một tế bào pin ra thị trường qua bốn giai đoạn:

• Tạo hóa học mới: tập trung tại phòng thí nghiệm R&D Kettering của GM trong nhiều thập kỷ, nơi đã tạo ra các hóa học pin cho mẫu EV1 tiên phong, Chevrolet Volt 2011 và hóa học LMR dự kiến ra mắt năm 2028. Tuy nhiên, phòng này chỉ có thể chứng minh một hóa học tại một thời điểm, ở định dạng đồng xu hoặc túi nhỏ.

• Thử nghiệm nguyên mẫu ban đầu: GM đưa giai đoạn này về nội bộ khi mở Trung tâm Đổi mới Tế bào Pin Wallace năm 2023, mở rộng hóa học mới thành tế bào cỡ lớn lên tới 200 amp-giờ với lô nhỏ vài chục chiếc.

• Tìm cách chế tạo: đây chính là giai đoạn BCDC đảm nhận, ngay cạnh Wallace. Nó dùng máy móc chế tạo và lắp ráp pin thực tế để sản xuất hàng nghìn tế bào mỗi ngày.

• Tăng tốc sản xuất hàng loạt: giai đoạn cuối cùng diễn ra tại Ultium Cells hoặc các nhà máy quy mô lớn khác.

Để so sánh quy mô từng giai đoạn: phòng R&D Kettering có thể sản xuất 1 lít hỗn hợp để phủ màng điện cực thử nghiệm từng tế bào. Phòng Wallace nâng lên 40 lít mỗi lần. Còn BCDC có thể làm 1.500-2.000 lít mỗi lần – trong khi các nhà máy tế bào quy mô lớn sẽ chạy hàng chục quy trình tương tự cùng lúc, tức gấp khoảng hai bậc độ lớn.

Kỹ sư GM kiểm tra thiết bị giúp các nhà phát triển pin nghiên cứu và tinh chỉnh quy trình xử lý vật liệu trước khi sản xuất quy mô lớn. Ảnh: GM

AI và bản sao số: vũ khí rút ngắn thời gian

Trước khi bất kỳ công đoạn chế tạo vật lý nào bắt đầu, các kỹ sư tế bào pin sử dụng ảo hóa xuyên suốt quy trình. Theo Radu Theyyunni, giám đốc kỹ thuật ảo về hệ truyền động toàn cầu của GM, khả năng phát triển và tinh chỉnh thiết kế mới nhanh chóng đến từ việc dùng "bản sao số" (digital twin) để mô phỏng quy trình trước khi phần cứng sản xuất được đưa vào.

Từ hành vi bên trong của các hóa học pin mới đến từng bước sản xuất linh kiện – chẳng hạn mức độ hòa trộn phân tử trong máy trộn hành tinh đôi lực cắt cao để tạo hỗn hợp – thời gian tiết kiệm nhờ mô hình hóa có thể cắt bớt hàng tuần, hàng tháng khỏi tiến độ đưa một loại pin mới từ phòng thí nghiệm ra thị trường.

Gần đây hơn, GM dựa rất nhiều vào AI trong nhiều mô hình ảo hóa khác nhau. Được cung cấp bởi kho dữ liệu pin khổng lồ tích lũy suốt 10 năm, các mô hình ngôn ngữ lớn của hãng giờ có thể dự đoán kết quả của hàng chục thay đổi hóa học nhỏ và biến thể quy trình nhanh hơn nhiều so với bất kỳ phương pháp tạo nguyên mẫu và thử nghiệm vật lý nào. Theyyunni cho biết các kết quả này tỏ ra cực kỳ chính xác khi được chuyển sang nguyên mẫu thực tế.

Ở cấp độ hóa học, mô phỏng cho phép GM hình dung "điều gì xảy ra nếu ta thêm nhiều silicon hơn, điều gì xảy ra nếu giảm hàm lượng cobalt". Kelty cho biết: "Chúng tôi có thể mô phỏng điều đó trong vài ngày." Nhờ vậy hãng có thể tinh chỉnh quy trình sản xuất khi cần rồi mô phỏng lại. Nếu thực hiện ở một nhà sản xuất tế bào pin nước ngoài, quá trình đó có thể mất vài tháng.

Mô hình hóa chuyên sâu quá trình trộn phân tử trong máy trộn hỗn hợp giúp GM cắt đôi thời gian trộn so với khuyến nghị của ngành, mà không ảnh hưởng đến chất lượng hay hiệu năng tế bào pin.

Tổng thể, Theyyunni cho biết công ty kỳ vọng đưa một tế bào pin qua toàn bộ quy trình đầu-cuối trong "khoảng một nửa thời gian". Trước đó, Kelty từng gợi ý điều này có thể giúp GM rút ngắn tới một năm trong quá trình phát triển các hóa học pin mới đầy triển vọng.

Mô hình hóa bao phủ mọi cấp độ phát triển xe: bản sao số của toàn bộ xe điện; của bộ pin; của các tế bào bên trong; bản sao số của điện cực mô phỏng hành vi hạt trên điện cực khi pin xả và sạc; và cuối cùng là bản sao ở cấp độ nguyên tử mô phỏng sự khuếch tán lithium qua điện cực và chất điện phân.

Các phương pháp này dễ dàng chuyển đổi giữa các hóa học pin. Với tế bào pin, "mô hình hóa nguyên tử không phụ thuộc vào hóa học", Kelty nói. Để chuyển từ NMCA sang tế bào sodium-ion, "chúng tôi chỉ cần thay đổi nguyên tử trong mô hình". Suy cho cùng, "các phương trình cốt lõi của cơ học lượng tử đều đã được biết rõ", Theyyunni nói thêm.

Canh bạc dài hạn của GM

Mô phỏng hành vi tế bào pin ở cấp độ từng nguyên tử, thậm chí trước cả khi mô phỏng toàn bộ quy trình sản xuất, đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ. Trong chuyến tham quan, Gallegos lưu ý rằng tổ hợp phát triển pin tiêu thụ điện năng nhiều hơn bất kỳ phần nào khác của khuôn viên Warren.

Nhưng GM đã làm tính toán chuyên sâu từ lâu. Ngay sau khi các quy định khí thải đầu tiên có hiệu lực nửa thế kỷ trước, hãng bắt đầu dùng máy tính để mô hình hóa các pha đốt cháy xăng trong động cơ. Kinh nghiệm và sức mạnh tính toán sẵn có giúp công ty "mở khóa nhiều giá trị", Theyyunni cho biết.

Trong chuyến tham quan, Theyyunni nói rằng năng lực tính toán của công ty chỉ đứng sau các phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ. Ông cũng cho biết tốc độ phát triển của mô hình hóa nguyên tử đang rất nhanh, gợi ý rằng trong sáu tháng qua, năng lực AI của công ty đã mở rộng đáng kể.

Kelty rõ ràng rất hào hứng với tiềm năng của các công cụ mô hình hóa và mô phỏng dựa trên AI này. Về dài hạn, ông nói: "Chúng tôi muốn loại bỏ việc thử nghiệm" – hoặc ít nhất là giảm mạnh thử nghiệm vật lý các tế bào nguyên mẫu và phương pháp sản xuất. Mục tiêu cuối cùng mà Kelty gợi ý là hệ thống có thể tự làm R&D đến mức các mô hình AI có thể "tổng hợp một hóa học pin mới" hoàn toàn tự động. Nhưng ông thừa nhận họ chưa đạt tới đó.

Trong khi đó, mọi nhà sản xuất pin toàn cầu lớn đều có phòng thí nghiệm phát triển chu trình đầy đủ tương tự GM. Nhưng ít hãng xe nào ngoài Tesla có nhà máy pin liên doanh để sản xuất tế bào do mình thiết kế như GM. Và càng ít hãng có đủ bộ phòng thí nghiệm từ R&D đến nguyên mẫu, quy trình và sản xuất.

Hầu hết các hãng xe trên thế giới vẫn dựa vào đối tác tế bào pin để làm một phần quy trình, phần nào vì chi phí rất cao – cả về sức mạnh tính toán lẫn nhà máy vật lý. GM đặt cược rằng khoản đầu tư 900 triệu USD sẽ mang lại lợi thế về tốc độ và sự linh hoạt khi đưa pin mới ra thị trường. Phải nhiều năm nữa chúng ta mới biết canh bạc này có thành công hay không.

Với độc giả Việt Nam, câu chuyện của GM là một gợi ý đáng suy ngẫm: trong cuộc đua xe điện toàn cầu, lợi thế không chỉ nằm ở việc làm chủ công nghệ pin, mà còn ở khả năng ứng dụng AI và mô phỏng để rút ngắn chu kỳ R&D – điều mà các doanh nghiệp công nghệ và sản xuất trong nước cũng có thể học hỏi khi tham gia chuỗi cung ứng pin và linh kiện xe điện khu vực.