Thị trường xe điện đón tin vui: Xuất hiện mẫu pin giúp xe có thể chạy 1.000 km/lần sạc, cần ít vật liệu sản xuất hơn pin lithium-ion

Từ các nhà sản xuất ô tô đến các trường đại học, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đang tăng tốc nỗ lực phát triển loại pin thế hệ tiếp theo để cho phép xe điện đi được quãng đường 1.000 km chỉ với một lần sạc duy nhất, theo thông tin từ Asia Nikkei.

Pin florua-ion được cho là có khả năng trở thành một lựa chọn khả thi vào đầu những năm 2030. Loại pin này cung cấp mật độ năng lượng cao gấp 6 - 7 lần so với pin lithium-ion, loại pin tiêu chuẩn hiện tại được sử dụng phổ biến trong nhiều loại xe điện, mở đường cho các loại pin nhỏ hơn và nhẹ hơn.

Điện cực trong pin florua-ion yêu cầu ít vật liệu hơn so với pin lithium-ion phổ biến hiện nay. Về mặt lý thuyết, loại pin mới cũng có thể được chế tạo mà không cần tới kim loại hiếm, làm giảm khả năng xảy ra các vấn đề trong chuỗi cung ứng, thứ từng khiến nhiều lĩnh vực sản xuất, bao gồm cả xe điện gặp rất nhiều khó khăn trong hai năm qua.

Đại học Kyoto, Nhật Bản là đơn vị đã dẫn đầu sự phát triển của pin florua-ion ở quốc gia châu Á này. Vào năm 2017, các nhà nghiên cứu của trường Đại học Kyoto đã tạo ra một loại pin có thể hoạt động trong một phòng nghiên cứu có nhiệt độ thích hợp. Nghiên cứu thông thường tập trung vào pin ở trạng thái rắn, loại pin này không thể dẫn các ion florua một cách hiệu quả, trừ khi được làm nóng đến 150 độ C hoặc hơn. Loại pin mà các nhà nghiên cứu của trường Đại học Kyoto đã khám phá ra giúp giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một dung dịch điện phân có chứa florua hữu cơ.

Vào năm 2020, Đại học Kyoto và gã khổng lồ ngành ô tô Nhật Bản là Toyota Motor đã thử nghiệm một nguyên mẫu pin florua-ion ở trạng thái rắn. Viện Nghiên cứu Honda vào năm 2018 cũng từng công bố những bước đột phá quan trọng trong nghiên cứu pin florua-ion dưới nỗ lực chung với NASA và Viện Công nghệ California.

Những thách thức vẫn còn trước khi chưa có dấu hiệu nào cho thấy pin florua-ion có tính khả thi về mặt thương mại. Ví dụ, các đơn vị nghiên cứu hiện vẫn chưa tìm thấy sự pha trộn tối ưu giữa vật liệu điện cực và chất điện phân.

Ở thời điểm hiện tại, có thể nói pin lithium-ion vẫn hoạt động tốt hơn về chu kỳ sạc trên xe điện cũng như hiệu năng sử dụng. Rào cản chính là tìm ra một cách tiếp cận đủ tốt trong việc xác định vật liệu nào sẽ hiệu quả để sản xuất pin florua-ion.

Một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm Kenichi Okazaki, hiện là Phó giáo sư tại Đại học Ritsumeikan, vào tháng 9 đã đưa ra phân tích về phản ứng của các điện cực bismuth và chì trong pin florua-ion, cùng với tác dụng của chúng trong việc sạc và phóng điện.

Bismut trong cathode phản ứng trực tiếp với các ion florua, làm cho điện cực phồng lên. Trong khi đó, chì ở cực dương hòa tan vào dung dịch điện phân và lắng đọng các tinh thể trên bề mặt điện cực. Những khác biệt này ảnh hưởng đến số chu kỳ sạc mà pin có thể trải qua. Phó giáo sư Okazaki cho biết kết quả này đã cung cấp một hướng tìm kiếm vật để sản xuất pin florua-ion.

Đến năm 2025, các nhà nghiên cứu có kế hoạch phát triển một nguyên mẫu pin với điện cực đồng và nhôm, những vật liệu rẻ và ít rủi ro hơn so với các lựa chọn khác. Họ cũng nhắm đến mục tiêu cải thiện điện áp từ 0,3 volt đạt được với pin bismuth-chì lên ít nhất 2 volt, mức cần thiết cho mục đích sử dụng vào hoạt động thương mại.

Phó giáo sư Kenichi Okazaki tại Đại học Ritsumeikan chia sẻ: “Tôi muốn đưa ra một giải pháp thay thế cho pin lithium-ion để tiến tới một tương lai xanh hơn, giúp đạt được mục tiêu đạt mức trung hòa carbon”.

Các vấn đề của thị trường pin xe điện

Thị trường pin xe điện hiện tại cũng gặp rất nhiều vấn đề. Chẳng hạn, tờ The Economist từng đề cập rằng ngành công nghiệp xe điện cần một trữ lượng pin lớn. Theo ước tính của Bernstein, một công ty quản lý tài sản, nhu cầu sử dụng pin cho xe điện sẽ tăng gấp 9 lần vào cuối thập kỷ này, lên khoảng 3.200 GWh. Con số tương tự được công ty tư vấn Rystad báo cáo là 4.000 GWh.

Mục tiêu này sẽ không dễ để đạt được khi thị trường pin xe điện hiện tại phụ thuộc phần lớn vào các doanh nghiệp Trung Quốc, hững người đang sở hữu khoảng 80% công suất sản xuất cell pin trên thế giới. Dù được dự báo sẽ giảm trong thập kỷ tới, nhưng công suất sản xuất cell pin của các doanh nghiệp Trung Quốc được dự báo vẫn sẽ dao động trong khoảng 70%. Mỹ, châu Âu và các khu vực khác sẽ chiếm 30% còn lại.

Thị trường pin xe điện cũng gặp khó trong việc tìm kiếm nguyên liệu sản xuất. Một trong những nguyên liệu phổ biến thường dùng trong sản xuất pin xe điện là lithium đang đối diện với một tương lai bất định. Vào tháng 7, lãnh đạo của Albermarle Corp, nhà sản xuất lithium hàng đầu thế giới đã cảnh báo rằng bất chấp những nỗ lực mở rộng nguồn cung, các nhà sản xuất ô tô vẫn sẽ phải đối mặt với một sự thật phũ phàng rằng nguồn cung pin lithium sẽ bị hạn chế đi nhiều trong thập kỷ tới.

Trong bối cảnh đó, loại pin mà các nhà khoa học của Nhật Bản đang nghiên cứu có thể trở thành giải pháp thay thế tiềm năng cho các loại pin hiện nay, mở ra tương lai mới cho ngành pin xe điện.