Pin thể rắn: Cuộc đua công nghệ lưu trữ năng lượng của tương lai

Sự trỗi dậy của pin lithium-ion đã tạo nên một cuộc cách mạng thực sự, từ những thiết bị điện tử cá nhân nhỏ nhất cho đến các hệ thống lưu trữ năng lượng khổng lồ. Thế nhưng, việc lưu trữ và giải phóng năng lượng bằng cách di chuyển các ion lithium tích điện qua một dung dịch điện phân lỏng cũng bộc lộ nhiều hạn chế, đáng chú ý nhất là nguy cơ cháy nổ.

Minh họa pin thể rắn

Đó là lý do pin thể rắn ra đời, thay thế chất điện phân lỏng bằng vật liệu gốm hoặc polymer rắn. Công nghệ này tạo ra những bộ pin sạc nhanh hơn, bền hơn, chứa được nhiều năng lượng hơn trong không gian nhỏ hơn và quan trọng nhất là vận hành mát hơn. Một thế hệ doanh nghiệp mới đang nỗ lực đưa loại pin này ra thị trường, và nếu thành công, công nghệ này có thể góp phần đáng kể vào quá trình chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch.

Những nút thắt còn tồn tại

Pin thể rắn đã được dự báo "chỉ còn vài năm nữa" sẽ ra mắt trong hơn một thập kỷ qua. Trong phòng thí nghiệm, công nghệ này đã hoạt động được. Nhưng vẫn còn nhiều thách thức.

Ở các thiết kế kết hợp chất điện phân rắn với cực dương lithium kim loại, các sợi hình kim gọi là dendrite có xu hướng hình thành trong quá trình sạc và cuối cùng xuyên qua chất điện phân, gây đoản mạch. Chất điện phân rắn lẽ ra phải ngăn chặn về mặt vật lý sự hình thành dendrite, nhưng nhiều loại lại bị nứt khi các sợi này đâm xuyên qua như rễ cây trong nền bê tông.

Thêm vào đó là bài toán sản xuất quy mô lớn. Sản xuất hàng loạt đòi hỏi số lượng lớn các tấm vật liệu gốm không khuyết điểm để làm chất điện phân, cùng các phòng sạch để lắp ráp vì chất điện phân có xu hướng phản ứng với nước. Các nhà sản xuất dự kiến giá pin thể rắn sẽ ngang bằng với pin lithium-ion vào khoảng giữa thập niên 2030.

Những bước tiến đáng chú ý

Dù còn non trẻ, pin thể rắn đã từng chứng kiến những thất bại được chú ý. Nhưng một trong những công ty pin thể rắn tiên tiến nhất của Mỹ tuyên bố đang tiến gần đến việc đưa sản phẩm ra thị trường. QuantumScape, được Bill Gates đầu tư, thành lập tại Thung lũng Silicon năm 2010, đã xây dựng pin dựa trên một nhóm vật liệu gốm mà họ cho là tương thích với lithium, nghĩa là không hình thành dendrite.

"Chúng tôi đã dành khoảng 10 năm để học cách xử lý vật liệu này nhằm đáp ứng mọi yêu cầu khác", Tim Holme, đồng sáng lập kiêm CTO của QuantumScape, cho biết.

Năm 2025, startup này công bố phương pháp sản xuất quy mô lớn độc quyền giúp sản xuất và xử lý nhiệt nhanh các chất điện phân gốm. Holme khẳng định: "Chưa ai từng làm được điều này trong lĩnh vực gốm sứ trước đây". Suốt 10.000 năm, sản xuất gốm đòi hỏi nung nguyên liệu chậm trong lò suốt nhiều ngày. "Chúng tôi đã tìm ra cách rút ngắn xuống còn vài phút", ông nói.

Nhiều công ty khác cũng đang thúc đẩy công nghệ này. Toyota, hãng xe lớn nhất thế giới, đã khởi động chương trình nghiên cứu pin thể rắn từ năm 2010. Hiện hãng hợp tác với tập đoàn năng lượng Idemitsu Kosan tại một nhà máy thí điểm, hứa hẹn những mẫu xe có thể chạy tới 745 dặm (khoảng 1.200 km) chỉ sau 10 phút sạc hoặc ít hơn.

Tại Trung Quốc, CATL, ông lớn nắm khoảng 40% thị trường pin toàn cầu, cũng đang theo đuổi pin thể rắn một cách quyết liệt, rót gần 2,6 tỷ USD vào chương trình nghiên cứu chỉ riêng trong năm 2024. Trong khi đó, Mercedes đã trang bị pin thể rắn cho một mẫu sedan EQS vào mùa thu năm ngoái; sau khi chạy liên tục 750 dặm, xe vẫn còn dự trữ một phần quãng đường.

Liệu công nghệ có được đón nhận?

Đầu tư vào pin xe điện là hợp lý xét theo quy mô thị trường tiềm năng. Nhưng bất kỳ mức tăng chi phí nhỏ nào cũng thường được chuyển sang người mua, nên những lô pin thể rắn dành cho xe điện đầu tiên chắc chắn sẽ đắt hơn.

Những người mua hệ thống lưu trữ điện lưới, vốn đang nỗ lực đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng từ các trung tâm dữ liệu, cũng có thể do dự khi mua công nghệ mới vẫn chưa giảm được chi phí. Tuy nhiên, lời hứa về khả năng lưu trữ năng lượng lâu hơn mức 8 giờ điển hình của pin lithium-ion có thể khiến họ dễ bị thuyết phục hơn.

Một số công ty đang học theo chiến lược của các doanh nghiệp theo đuổi năng lượng nhiệt hạch: tập trung vào những thị trường ngắn hạn có biên lợi nhuận tốt hơn để tài trợ cho quá trình phát triển và giảm chi phí. Các công ty pin thể rắn như Solid Energies (California) và Sion Power (Arizona) đang hướng tới việc bán pin cho ngành hàng không hoặc quân đội.

"Đó là những lĩnh vực ít nhạy cảm với chi phí và thường yêu cầu số lượng thấp hơn. Đây là cách tốt để chứng minh khái niệm, sau đó tài trợ cho nhà máy thí điểm và cuối cùng là mở rộng quy mô", Evelina Stoikou, trưởng nhóm phân tích công nghệ pin và chuỗi cung ứng tại BloombergNEF, nhận định.

Triển vọng

Công nghệ đã hoạt động, nguồn vốn đã có, và nhu cầu cũng không còn xa. Nhưng như với bất kỳ lĩnh vực sản xuất nào, vẫn còn những ẩn số chưa thể lường trước. Với thị trường Việt Nam, nơi nhu cầu về xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng đang tăng nhanh, pin thể rắn có thể mở ra cơ hội lớn nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công trong thập kỷ tới.