Pin thể rắn trên ô tô

Sự ra đời và phát triển của công nghệ pin thể rắn có thể truy nguyên từ những thập niên 1970, với những công trình nghiên cứu tiên phong của các nhà khoa học như John B. Goodenough . Tuy nhiên, trong nhiều năm, trọng tâm chính của ngành công nghiệp ô tô điện (EV) vẫn là pin Lithium-ion lỏng (Li-ion) do tính ổn định thương mại và mật độ năng lượng đã được chứng minh. Mặc dù pin Li-ion lỏng đã cách mạng hóa thị trường thiết bị điện tử di động và đặt nền móng cho ô tô điện, chúng vẫn có những hạn chế cố hữu khi áp dụng cho xe hơi. Cụ thể là nguy cơ cháy nổ (do chất điện phân lỏng dễ bay hơi và dễ cháy), chu kỳ sạc/xả giới hạn, và nhu cầu cải thiện mật độ năng lượng (để tăng phạm vi hoạt động). Pin thể rắn (Solid-State Battery - SSB) được hình dung như một giải pháp tiềm năng vượt trội, thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn (gốm, polymer, hoặc vật liệu composite), hứa hẹn an toàn hơn nhiều, mật độ năng lượng cao hơn đáng kể, và chu kỳ sống dài hơn. Tuy nhiên, trong giai đoạn này, các rào cản kỹ thuật như độ dẫn ion thấp ở nhiệt độ phòng và tính không ổn định của giao diện điện cực/chất điện phân rắn đã khiến SSB vẫn nằm trong phòng thí nghiệm.

Bước sang thế kỷ 21, đặc biệt là khi nhận thức toàn cầu về biến đổi khí hậu và nhu cầu về xe điện gia tăng, nghiên cứu về pin thể rắn đã được tăng cường đáng kể. Giai đoạn này chứng kiến một sự dịch chuyển trong trọng tâm nghiên cứu sang việc tìm kiếm các vật liệu chất điện phân rắn có độ dẫn ion cao và khả năng tương thích tốt hơn với các điện cực pin. Các đột phá quan trọng bao gồm việc phát triển chất điện phân dựa trên sulfide (như Li$_2$S-P$_2$S$_5$) và chất điện phân dựa trên oxide (như Garnet), chúng đã chứng minh được độ dẫn ion tiệm cận với chất điện phân lỏng. Điều này đã giải quyết một trong những rào cản lớn nhất. Các nhà sản xuất ô tô lớn từ Nhật Bản, Hoa Kỳ, và Châu Âu đã bắt đầu đầu tư mạnh mẽ vào các dự án SSB, nhận thấy tiềm năng của công nghệ này trong việc tạo ra một lợi thế cạnh tranh quyết định trong thị trường EV. Các công ty tiên phong như Toyota đã công bố những bằng sáng chế quan trọng và đặt mục tiêu thương mại hóa SSB, khởi động một cuộc đua toàn cầu. Sự tập trung vào việc sử dụng Lithium kim loại làm anode cũng trở nên phổ biến hơn, vì nó có thể mang lại mật độ năng lượng lý thuyết cao nhất, nhưng đồng thời cũng đặt ra thách thức mới về việc kiểm soát sự phát triển của dendrite (cây Li) trong chất điện phân rắn.

Từ khoảng năm 2015 trở đi, pin thể rắn đã chuyển từ lĩnh vực nghiên cứu thuần túy sang giai đoạn phát triển nguyên mẫu và sản xuất thử nghiệm. Sự tham gia của các gã khổng lồ ô tô (như Toyota, Volkswagen, BMW, Ford, Hyundai/Kia) và các công ty khởi nghiệp pin chuyên biệt (như QuantumScape, Solid Power, ProLogium) đã tạo ra một làn sóng đầu tư và hợp tác chưa từng có. Mục tiêu không còn chỉ là chứng minh tính khả thi khoa học, mà là giải quyết các vấn đề liên quan đến khả năng sản xuất hàng loạt, chi phí, và hiệu suất thực tế dưới điều kiện vận hành khắc nghiệt của ô tô. QuantumScape, với sự hỗ trợ của Volkswagen, đã đạt được các cột mốc quan trọng trong việc thử nghiệm pin thể rắn với anode Lithium kim loại không cần điện cực nền (anode-free), chứng minh khả năng sạc nhanh và chu kỳ sống dài. Toyota tiếp tục là một trong những người chơi tích cực nhất, đặt mục tiêu giới thiệu xe điện sử dụng SSB vào khoảng năm 2027-2028, tập trung vào công nghệ chất điện phân sulfide để đạt mật độ năng lượng cao. Mặc dù đã có những bước tiến lớn, thách thức vẫn còn, bao gồm chi phí sản xuất cao (do quy trình sản xuất phức tạp và vật liệu đắt tiền), độ bền cơ học của chất điện phân rắn, và việc duy trì tiếp xúc tốt giữa các lớp vật liệu trong quá trình sạc/xả kéo dài.

Hiện tại, pin thể rắn đang được xem là công nghệ pin thế hệ tiếp theo (Next-Gen Battery) có khả năng thay đổi cuộc chơi (game-changer) cho ngành công nghiệp ô tô điện. Các nhà phân tích dự đoán rằng khi SSB được thương mại hóa thành công trên quy mô lớn, chúng sẽ mang lại những lợi ích then chốt: phạm vi hoạt động (range) lớn hơn (nhờ mật độ năng lượng cao hơn, có thể lên tới 1000 Wh/L), thời gian sạc nhanh hơn (nhờ khả năng chấp nhận dòng điện cao hơn), và an toàn vượt trội (loại bỏ nguy cơ cháy nổ từ chất điện phân lỏng). Điều này có thể giúp xe điện đạt được sự cân bằng về tiện ích và an toàn mà xe sử dụng động cơ đốt trong hiện đang có. Mặc dù các mốc thời gian thương mại hóa đã được lùi lại nhiều lần, sự đồng thuận của ngành là pin thể rắn sẽ bắt đầu xuất hiện trên các mẫu xe hiệu suất cao hoặc cao cấp vào cuối thập niên 2020, trước khi giảm chi phí và mở rộng sang thị trường đại chúng sau năm 2030. Cuộc đua công nghệ hiện đang tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển các giải pháp đóng gói (packaging) hiệu quả để tích hợp pin thể rắn vào cấu trúc xe. Thành công của pin thể rắn sẽ củng cố sự chuyển đổi sang giao thông điện khí hóa và củng cố vị thế dẫn đầu của các nhà sản xuất ô tô đầu tư sớm.