Pin năng lượng cao của Trung Quốc mở ra một kỷ nguyên mới cho ô tô điện

Cuộc cách mạng về pin điện xuất phát từ Trung Quốc.

Tuần qua nhà sản xuất pin lớn nhất thế giới, CATL, đã công bố một loại “pin ngưng tụ” mới (Condensed Battery) tại Hội chợ Triển lãm ô tô Thượng Hải. Doanh nghiệp này không tiết lộ chi tiết về thành phần, nhưng một con số gây xôn xao giới chuyên môn: 500 Watt giờ điện có thể được lưu trữ trên mỗi kg tế bào pin.

Các mẫu pin hiện tại chỉ có thể đạt mật độ năng lượng nhiều lắm chỉ bằng một nửa. Nhà nghiên cứu pin người Đức Maximilian Fichtner gọi bước phát triển nhảy vọt này là “không thể tin được” và “qua đó các giấc mơ đã trở thành hiện thực.” Thí dụ với máy bay. Theo CATL “Một kịch bản điện khí hóa mới với máy bay” đang được mở ra.

Cho đến nay, các thiết bị lưu điện đều quá lớn và nặng nề. Nhưng trong tương lai, pin cho ô tô điện có thể chỉ nặng từ 100 – 200 kg thay vì nửa tấn như hiện nay.

Các hãng sản xuất ô tô phương Tây bỗng trở nên cổ lỗ khi so sánh với những bước nhảy vọt đầy sáng tạo của Trung Quốc. Ngay trước hội chợ, thông tin về việc CATL bắt đầu sản xuất hàng loạt một loại pin khác gọi là natri-ion cũng đã làm thế giới ô tô không khỏi choáng váng. Hãng sản xuất ô tô Trung Quốc Chery là nơi đầu tiên áp dụng các thành tựu này vào một số mẫu xe nhất định, khiến các loại ô tô này có giá thành rẻ hơn đáng kể.

Theo hãng tin tài chính Bloomberg, pin ô tô điện hiện có giá khoảng 130 euro cho mỗi kilowatt giờ (kWh) dung lượng lưu trữ. Đối với một chiếc xe ID.3 của Volkswagen với 62 kWh, giá pin sẽ vào khoảng 8000 euro. Điều này làm cho loại xe điện này đắt hơn xe chạy xăng hoặc dầu diesel.

Chi phí pin đã giảm nhanh chóng trong những năm gần đây, trừ năm 2022 bị khựng lại do giá vật tư và nguyên liệu tăng. Giờ đây các công nghệ mới có khả năng làm cho quá trình giảm giá pin tiếp tục tái diễn.

Giới am hiểu trong ngành ô tô cho rằng trong một vài năm tới, giá ô tô điện sẽ giảm xuống ngang với giá động cơ đốt trong và giá thành của pin sẽ giảm xuống dưới 100 USD cho mỗi kWh. Cơ quan tư vấn Berylls hy vọng pin xe ô tô sẽ rẻ hơn một phần ba vào năm 2028 nhờ giảm chi phí sản xuất và cải thiện cấu trúc.

Nhưng động lực thúc đẩy chủ yếu không xuất phát từ phương Tây. “Châu Á hiện là thị trường pin hàng đầu và thị trường này đang mở rộng nhanh chóng”, báo cáo Battery Monitor của Đại học Kỹ thuật Aachen cho biết. “Trung Quốc cố gắng giảm hơn nữa chi phí đối với các biến thể tế bào pin vốn đã rẻ rồi, như lithium iron phosphate.”

Bốn yếu tố có ý nghĩa quyết định đối với pin trong tương lai

1. Hóa học: lithium và natri

Kim loại Lithium có vai trò quan trọng trong sản xuất pin vì nó nhẹ hơn hầu hết các nguyên tố khác. Lithium thường được kết hợp với hỗn hợp niken, mangan và coban. Những chất này đều có các vấn đề, đặc biệt là coban khai thác ở Congo trong điều kiện coi thường tính mạng con người.

Với các loại pin rẻ hơn, chẳng hạn như pin được Tesla sử dụng cho các mẫu xe cấp thấp, các kim loại này được thay thế bằng các hợp chất sắt. Điều này làm cho bộ lưu trữ năng lượng ổn định hơn và ít bị hư hỏng hơn, tuy nhiên phạm vi hoạt động của xe lại bị hạn chế.

Điểm mới trên thị trường là pin natri, trong đó thay vì các ion lithium, các hạt natri di chuyển giữa các cực dương và cực âm. Lợi thế của loại pin này là natri rẻ và có sẵn ở khắp mọi nơi, ví dụ như trong muối ăn.

Fichtner làm việc tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) dự đoán: “Nếu pin natri-ion thực sự đuổi kịp pin lithium-iron phosphate về giá trị hiệu suất thì có thể nghĩ tới một sự thay đổi có tính hệ thống”.

Ngay cả lá đồng trên cực âm của pin natri cũng có thể được thay thế bằng lá nhôm rẻ tiền hơn. Theo Fichtner, loại pin này có lợi thế về giá cả, chi phí và độ bền. Nhược điểm là mật độ năng lượng thấp hơn: Pin lithium với niken, mangan và coban trên cực dương hiện có công suất lưu trữ là 250 Wh/kg so với pin lithium iron phosphate là 160 Wh/kg. Pin natri trong tương lai cũng có thể vận động ở mức độ này.

Mặc dù loại siêu pin mới của CATL có chứa lithium, hợp chất [natri] này nên tiếp tục được sử dụng vì chúng rẻ hơn nhiều. Điều này cho phép triển khai những chiếc xe nhỏ, giá rẻ, có phạm vi hoạt động hạn hẹp hơn. Ngoài ra, các tế bào natri ít nhạy cảm hơn đáng kể so với các tế bào có lithium. Fichtner cho biết: “Ở nhiệt độ -20 độ C, loại pin như vậy vẫn còn 90% dung lượng lưu trữ, pin lithium còn 70%“

2. Hình dạng: Nhiều không gian hơn nhờ thiết kế có góc cạnh

Tròn hay vuông, đó là câu hỏi lâu nay của các nhà sản xuất ô tô. BMW và Tesla chọn các tế bào pin giống với pin gia dụng (hình trụ) được phóng to gấp nhiều lần. Trong khi đó Volkswagen lại chọn chọn dạng lăng trụ cho các loại ô tô của mình.

Một số tế bào này được kết nối với nhau để tạo thành các mô-đun và sau đó được tích hợp vào pin trong một bộ khung lớn hơn. Theo Fichtner, thiết kế này đã lỗi thời. Một vài năm trước, một bước đột phá đã được thực hiện ở Trung Quốc trong việc tạo dựng các tế bào, qua đó phạm vi hoạt động của xe lớn hơn, khả năng sạc tốt hơn và bền vững hơn.

“Pin không còn được chế tạo thành từng bộ phận nhỏ nữa mà các tế bào được sản xuất lớn như những tấm ván sàn. Điều này có nghĩa là người ta cần ít vật liệu đóng gói và công nghệ kết nối hơn trong pin, tiết kiệm chi phí và có thể chứa nhiều chất liệu lưu trữ hơn,” Fichtner giải thích.

Những gã khổng lồ ngành công nghiệp của Trung Quốc BYD và CATL đã sử dụng các loại tế bào “blade” này trong các ô tô sản xuất hàng loạt. Mục tiêu là đưa phạm vi hoạt động của xe lên hơn 1000 km và thời gian sạc trong mười phút cho 700 km.

3. Nguyên liệu: khan hiếm các kim loại

Việc cung cấp kim loại làm pin sẽ trở thành một vấn đề trong những năm tới. Do đó giá cả các loại kim loại này đã tăng vọt trên thị trường trong năm 2022. Lithium chủ yếu được khai thác ở Úc và Chile. Việc mở rộng mỏ và phát triển các mỏ mới đang được lên kế hoạch trên toàn thế giới.

Theo tính toán của Cơ quan Nguyên liệu Đức, nhu cầu về lithium sẽ tăng từ 4 – 8 lần vào năm 2030. Các chuyên gia cũng nhận thấy sẽ có sự tắc nghẽn đối với một số nguyên liệu khác như niken.

4. Tái chế: Làm mới từ các phế thải

Cho đến nay, tái chế không đóng vai trò gì trong sản xuất pin. Ví dụ như đối với lithium, “việc phục hồi hiện chưa khả thi vì chúng không có hiệu quả kinh tế”. Tuy nhiên, pin lithium-ion có thể tái chế được và đã có các quy trình tái chế với quy mô lớn. Một ngành công nghiệp tương ứng đang phát triển ở châu Âu. Dự kiến đến năm 2030, khaonrg 3-9% nhu cầu về lithium có thể được đáp ứng từ vật liệu tái chế.

Điều này cũng sẽ cần thiết nếu Ủy ban Châu Âu thành công với chỉ thị về pin theo kế hoạch của mình. Đó là quy định tỷ lệ phần trăm tái chế tối thiểu từ năm 2035, ví dụ như 12% đối với niken và 10% đối với lithium. Các nhà sản xuất cũng phải có nghĩa vụ thu hồi pin cũ. Đó là một lý do tại sao các tập đoàn như Renault, Mercedes-Benz và Volkswagen đang xây dựng các nhà máy tái chế.

Một vấn đề nữa là khí hậu: “Tùy thuộc vào cấu trúc, lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất pin hiện nằm trong khoảng 42 kg CO2 trên mỗi kWh trong trường hợp sạch nhất, và 142 kg CO2 trên mỗi kWh trong trường hợp xấu nhất”.

Việc quy đổi các loại khí thải khác nhau thành CO2 được coi là tiêu chuẩn trong cân bằng khí hậu. Do đó, việc sản xuất một khối pin lớn tạo ra khoảng 10 tấn CO2, phần lớn từ quá trình khai thác và tinh chế kim loại. Theo các nhà nghiên cứu, việc giảm mạnh lượng CO2 sẽ “chỉ có thể đạt được nếu áp dụng các công nghệ tái chế”.

Nguồn: Elektroauto: Mit Chinas Super-Batterie beginnt eine neue Elektro-Ära – WELT