Nhiều thập kỷ qua, pin Lithium-ion (Li-ion) đã thống trị thế giới thiết bị điện tử và xe điện. Tuy nhiên, khi nhu cầu về mật độ năng lượng cao hơn và thời gian sạc nhanh hơn trở nên cấp thiết, công nghệ truyền thống này bắt đầu chạm tới giới hạn vật lý. Đây là lúc pin thể rắn (Solid-state battery) xuất hiện, hứa hẹn một cuộc cách mạng toàn diện cho hạ tầng giao thông xanh toàn cầu.

Mô phỏng cấu trúc phân tử của vật liệu dẫn điện trong pin thể rắn. Ảnh: TechNews VN

Sự khác biệt cốt lõi: Khi chất lỏng biến mất

Điểm khác biệt lớn nhất giữa pin Li-ion hiện nay và pin thể rắn nằm ở chất điện phân. Trong pin thông thường, các ion Lithium di chuyển qua một dung dịch điện phân dạng lỏng hoặc gel để tạo ra dòng điện. Ngược lại, pin thể rắn sử dụng vật liệu gốm, thủy tinh hoặc polyme rắn làm môi trường dẫn truyền.

Việc loại bỏ chất lỏng mang lại hai ưu điểm mang tính quyết định: An toàn và Mật độ năng lượng. Các chất điện phân lỏng hiện nay cực kỳ dễ cháy khi xảy ra sự cố va chạm hoặc quá nhiệt. Với pin thể rắn, nguy cơ hỏa hoạn gần như bị loại bỏ hoàn toàn, cho phép các nhà sản xuất lược bỏ bớt các hệ thống làm mát cồng kềnh, từ đó dành thêm không gian để chứa nhiều vật liệu hoạt tính hơn.

Những con số không tưởng: 10 phút sạc cho 1.200km

Mới đây, Toyota – "gã khổng lồ" Nhật Bản – đã gây chấn động khi công bố lộ trình sản xuất pin thể rắn có khả năng cung cấp quãng đường di chuyển lên tới 1.200km mỗi lần sạc. Đáng kinh ngạc hơn, thời gian sạc đầy chỉ mất chưa đầy 10 phút, tương đương với thời gian đổ một bình xăng đầy cho xe động cơ đốt trong.

"Pin thể rắn không chỉ là một sự nâng cấp tuần tự, đó là một cuộc cách mạng vật liệu. Nếu giải quyết được bài toán chi phí sản xuất hàng loạt, chúng ta sẽ thấy sự sụp đổ nhanh chóng của các loại hình vận tải sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngay trong thập kỷ tới,"

Theo số liệu từ TechNews VN tổng hợp, mật độ năng lượng của pin thể rắn có thể đạt mức 500 Wh/kg, gấp đôi so với mức trung bình 250-280 Wh/kg của các dòng pin cao cấp nhất hiện nay trên Tesla Model 3 hay Hyundai Ioniq 6. Điều này có nghĩa là với cùng một kích thước bộ pin, xe điện tương lai có thể đi xa gấp hai lần.

Hạ tầng sạc sẽ thay đổi hoàn toàn khi pin thể rắn được phổ cập. Ảnh: TechNews VN

Rào cản thương mại hóa: Bài toán chi phí và độ bền

Dù sở hữu tiềm năng khổng lồ, pin thể rắn vẫn đang "mắc kẹt" trong giai đoạn chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang nhà máy. Có ba thách thức lớn nhất mà các hãng xe đang phải đối mặt:

• Chi phí sản xuất cực cao: Ước tính hiện tại, chi phí sản xuất một viên pin thể rắn cao gấp 4 đến 8 lần so với pin Li-ion. Việc chế tạo các lớp điện phân rắn cực mỏng và không có khuyết tật đòi hỏi môi trường phòng sạch siêu tiêu chuẩn.
• Hiện tượng Dendrite: Đây là những tinh thể Lithium dạng nhánh cây hình thành trong quá trình sạc/xả. Chúng có thể đâm xuyên qua lớp điện phân rắn, gây đoản mạch và hỏng pin. Việc kiểm soát sự phát triển của dendrite vẫn là bài toán đau đầu của các kỹ sư vật liệu.
• Chuỗi cung ứng: Việc chuyển dịch sang pin thể rắn đòi hỏi nguồn cung vật liệu mới như bạc hay các hợp chất sulfide đặc thù, vốn chưa được khai thác ở quy mô công nghiệp.

Các nhà khoa học đang nỗ lực tối ưu hóa độ bền của vật liệu gốm trong pin. Ảnh: TechNews VN

Cục diện cuộc đua toàn cầu

Không chỉ có Toyota, các hãng xe và tập đoàn công nghệ khác cũng đang dốc toàn lực cho cuộc đua này. Samsung SDI vừa công bố đã hoàn thành dây chuyền sản xuất thử nghiệm pin thể rắn và dự kiến cung ứng mẫu cho các hãng xe vào năm 2024, hướng tới thương mại hóa năm 2027.

Tại Trung Quốc, BYD và CATL – hai nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới – cũng không đứng ngoài cuộc. Mặc dù ban đầu họ tập trung vào pin bán rắn (semi-solid state) để giảm giá thành, nhưng các lộ trình tiến lên thể rắn hoàn toàn đã được định hình rõ rệt vào giai đoạn 2028-2030.

Các startup phương Tây như QuantumScape (được Volkswagen hậu thuẫn) và Solid Power (hợp tác với BMW và Ford) cũng đang đạt được những bước tiến quan trọng trong việc thử nghiệm độ bền của pin qua hàng ngàn chu kỳ sạc mà vẫn giữ được 80% dung lượng.