Chuẩn bị gì cho “thế giới chạy bằng pin”?

Pin lithium-ion sẽ là nguồn năng lượng của tương lai? Ảnh: Graphene Uses

Hình ảnh sau có quen thuộc với bạn không: mỗi tối phải cắm sạc đủ loại thiết bị điện tử, từ điện thoại, đồng hồ thông minh đến tai nghe hoặc loa bluetooth, máy tính xách tay và máy đọc sách? Đó là chưa kể bàn chải điện tử và xe máy điện.

Pin sạc hiện là nguồn cấp năng lượng chính cho các thiết bị thiết yếu trong đời sống con người, từ sinh hoạt, giải trí đến đi lại. Tất cả sự tiện lợi này sẽ không xảy ra nếu không có các tiến bộ trong công nghệ pin, cụ thể là pin lithium-ion (li-ion).

Được Hãng Sony bắt đầu sản xuất thương mại vào những năm 1990, pin li-ion có mật độ năng lượng (lưu trữ năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích) cao, mỗi lần sạc sử dụng được lâu, nhẹ và khá an toàn, khiến nó thích hợp cho nhiều thiết bị điện tử. Pin li-ion có dung lượng cao gấp hai lần pin niken hiđrua kim loại (NiMH).

Foreign Policy ngày 2-4 nhìn nhận pin li-ion chính là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới, trước mắt là việc xe điện có khả năng gây đảo lộn với tương lai lĩnh vực giao thông trên toàn cầu. Quartz ngày 8-4 gọi máy bay điện là tương lai của hàng không.

Theo lý thuyết, chúng sẽ êm hơn, giá rẻ hơn và gây ô nhiễm ít hơn máy bay hiện nay. Máy bay điện với tầm bay 1.000km mỗi lần sạc có thể được sử dụng cho một nửa số chuyến bay thương mại ngày nay, giảm lượng phát thải carbon toàn cầu khoảng 15%, theo Quartz.

Cải tiến pin, thay đổi tương lai

Nếu máy bay đi hàng ngàn cây số mà chỉ cần sạc điện là chuyện có vẻ còn xa, thì các nỗ lực đưa xe điện trở thành phương tiện giao thông cá nhân phổ biến đã đạt những bước tiến dài.

Đến nay, xe hơi điện vẫn là phương tiện đắt đỏ so với những cỗ máy tiền nhiệm chạy nhiên liệu hóa thạch và gây ô nhiễm môi trường vì khí thải, nguyên nhân là vì giá pin vẫn còn cao. Theo Quartz, một chiếc Tesla Model 3 có giá 35.000 USD thì giá của phần pin li-ion đã là 8.750 USD, tức 25% giá xe. Vì thế, muốn phương tiện giao thông bằng điện phổ biến phải giảm giá pin trước.

Tesla Model S (ảnh: Tesla.com)

Ngoài chuyện giá cả, các công nghệ pin tương lai cần phải giải quyết được những thách thức sau: có dung lượng lớn hơn, chứa đủ năng lượng cho hành trình bay cả ngàn cây số; tạo ra năng lượng đủ mạnh để máy bay cất cánh và về sự an toàn thì không gây cháy nổ.

Một viên pin li-ion sẽ có hai điện cực (cathode làm bằng các lớp niken, magiê hoặc coban và anode làm bằng than chì), một màn ngăn cách điện ở giữa và dung môi điện phân (thường là chất lỏng) để các ion lithium di chuyển qua lại giữa hai điện cực.

Lúc sạc, ion sẽ đi từ cathode sang anode, khi không còn ion nào bên cathode nghĩa là sạc đầy. Lúc sử dụng (pin phóng điện), ion di chuyển theo hướng ngược lại và dĩ nhiên khi không còn ion nào ở anode, pin sẽ cạn và cần được sạc trở lại.

Để đạt được những yêu cầu về dung lượng, sức mạnh và độ an toàn của pin cần thay đổi, chỉnh sửa, cải tiến các thành phần chính đã kể trên.

Để tăng sức mạnh của pin cần tăng tốc độ ion lithium di chuyển từ cathode sang anode. Song nếu tăng quá nhanh sẽ làm hai điện cực này mau hỏng, giống như pin máy tính xách tay, điện thoại thông minh sạc mãi cũng giảm chất lượng.

Một trong các giải pháp được đưa ra là thay đổi cách cấu tạo anode và cathode, không phải dạng xếp lớp mà có các cấu trúc mạnh mẽ hơn để khi tiếp nhận ion di chuyển với tốc độ cao sẽ không bị phá vỡ.

Trong khi đó, tăng dung lượng là cách gián tiếp để giảm giá thành pin. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, nếu giá pin giảm dưới 125 USD/kWh, việc sở hữu và vận hành một chiếc xe điện sẽ rẻ hơn dùng xe chạy xăng tại nhiều nơi trên thế giới.

Năm 2010, giá pin là 1.200 USD/kWh, theo Bloomberg. Con số hiện nay là 176 USD/kWh và dự báo sẽ xuống còn 100 USD/kWh trong vòng 10 năm tới. Lúc đó, giá pin và giá xăng sẽ tương đương nhau và “pin li-ion có thể trở nên quan trọng với ngành vận tải toàn cầu giống như xăng dầu với xe hơi ngày nay”.

Giới khoa học đang nghiên cứu việc thay đổi các thành phần hóa học của pin để tăng dung lượng pin, nói đúng hơn là tăng mật độ năng lượng (thể tích và trọng lượng không đổi nhưng trữ nhiều năng lượng hơn).

Cuối cùng, không thể bỏ qua yếu tố an toàn, khi những vụ như Samsung phải thu hồi Galaxy Note 7 vì pin phát nổ hồi năm 2016 vẫn ám ảnh các nhà sản xuất. Pin li-ion vẫn nổi tiếng là mau nóng và dễ bốc cháy, do các chất lỏng dùng làm dung môi điện cực đều rất dễ bắt lửa vì ngưỡng bắt lửa của chất lỏng luôn thấp hơn chất rắn.

Giải pháp có thể là chuyển sang dùng dung môi rắn, song như vậy tác dụng giúp ion di chuyển giữa hai điện cực sẽ không thể nào bằng, từ đó giảm sức mạnh của pin.

Nhận diện các thách thức là một chuyện, nhưng giải quyết chúng lại là chuyện khác. Theo Quartz, dù ngành pin đang phát triển và các doanh nghiệp tích cực đầu tư, phát triển những thế hệ pin mới, bài toán vẫn chưa giải được vì trong 3 yếu tố dung lượng, mức phóng năng lượng và độ an toàn thì không bao giờ đạt được cả ba.

Giống như con người khi còn trẻ thì có sức khỏe và dư dả thời gian nhưng không có tiền, lúc trung niên thì kiếm được tiền và có sức khỏe nhưng không có thời gian, đến khi về già có tiền và thời gian thì không còn nữa. Khi cải thiện một trong ba yếu tố trên (ví dụ dung lượng) thì các yếu tố còn lại sẽ phải hi sinh (ví dụ giảm độ an toàn).

Thế nhưng giới khoa học vẫn lạc quan, vì lĩnh vực này đang thu hút không chỉ tiền đầu tư mà còn chất xám. Theo Yet-Ming Chiang - giáo sư Viện MIT, hiện số nhà khoa học chuyên nghiên cứu pin ở Mỹ nhiều gấp 3 lần so với cách đây 10 năm. Càng có nhiều bộ não lớn tập trung vào thì khả năng thành công càng cao.

Công nghệ pin: cuộc chạy đua mới

Nếu pin li-ion trở thành “xăng dầu” của ngành vận tải trong tương lai, quốc gia nào làm chủ chuỗi cung ứng sản phẩm này sẽ nắm lợi thế rất lớn.

Điều này không có gì lạ khi với các công nghệ mới, ai nắm giữ sản xuất thì được quyền làm chủ cuộc chơi. Cũng như công nghệ di động 5G, Trung Quốc đang muốn chiến thắng trước Mỹ trong lĩnh vực công nghệ pin tương lai và thực tế đang lợi thế hơn Hoa Kỳ.

Mỹ có Tesla, hãng sản xuất xe điện lớn nhất thế giới, nhưng như The Economist nhận định trong chuyên đề đầu tháng 4 thì Trung Quốc không cần phải có hãng xe tốt nhất mới làm chủ được không chỉ cuộc chơi xe điện, mà còn cả xe tự hành và mô hình chia sẻ phương tiện đi lại.

Pin của Tesla Model 3 hiện do siêu nhà máy Gigafactory của hãng đặt ở Nevada sản xuất. Tesla tự hào Gigafactory “là nhà máy pin có công suất sản xuất lớn nhất thế giới”. Xét riêng một công ty thì đúng là thế nhưng nhìn bức tranh toàn cảnh, Tesla chỉ là tay chơi nhỏ bé.

Năm 2018, tổng dung lượng pin li-ion sản xuất ở Mỹ chỉ chiếm 10% toàn cầu, so với 61% của Trung Quốc và 21% thuộc về phần còn lại của châu Á (chủ yếu là Nhật Bản và Hàn Quốc), theo số liệu của Tổ chức nghiên cứu MacroPolo do Foreign Policy dẫn lại.

Mỹ còn thua Trung Quốc trên nhiều “mặt trận” liên quan khác. Xét số lượng xe điện, Mỹ chỉ chiếm 20% tổng số xe toàn cầu so với 47% của Trung Quốc. Nếu tách từng thành phần của viên pin li-ion, Trung Quốc cũng vượt Mỹ.

Thị phần sản xuất anode, dung môi điện phân, vách ngăn cách điện và cathode của Trung Quốc lần lượt là 65,7%, 64,3%, 4,8% và 39%, trong khi Mỹ chiếm không đáng kể. Mỹ cũng “vắng mặt” trong một mắt xích khác của chuỗi cung ứng - khai thác các nguyên liệu cốt yếu để sản xuất pin, trong đó có cobalt và lithium.

Tương quan chênh lệch này không có gì lạ, khi chính quyền Bắc Kinh đã đặt cược vào tương lai xe điện sẽ thay thế xe dùng nhiên liệu hóa thạch và vì thế đã chi hàng tỉ USD để đảm bảo Trung Quốc sẽ dẫn đầu toàn cầu trong các ngành, lĩnh vực liên quan.

Theo Nikkei Asian Review, năm 2017 các công ty Trung Quốc chiếm 7/10 vị trí dẫn đầu các nhà sản xuất pin cho xe điện, trong đó có hạng nhất (Hãng CATL) và hạng ba (BYD). Đứng thứ hai trong danh sách là Panasonic, nhà cung cấp pin cho Tesla.

Nikkei Asian Review dẫn lời Takaki Nakanishi, CEO Hãng nghiên cứu Nakanishi, cho biết việc các nhà sản xuất pin Trung Quốc chiếm lĩnh thị trường toàn cầu không có lợi cho các hãng xe hơi Nhật, Mỹ, châu Âu hay Hàn Quốc. “Nói chung sẽ có rủi ro cho các hãng xe khi phải phụ thuộc quá nhiều vào thị trường duy nhất để mua linh kiện” - Takaki nói.■