Những đột phá mới trong ngành pin xe điện đến từ Trung Quốc

William Li, giám đốc điều hành của NIO, nhận được phản ứng nồng nhiệt sau khi công bố kế hoạch thiết kế xe điện chạy bằng pin có tầm lái dài nhất thế giới.

Tại nhà thi đấu thể thao ở Thành Đô, ông Li tuyên bố với hơn 10.000 người tham dự sự kiện “Ngày NIO” rằng phát minh mới của hãng, gói pin thể rắn 150 kilowatt giờ (kWh), sẽ được lắp đặt trong mẫu xe mở rộng T7. Cải tiến này sẽ cho phép chiếc xe đi xa tới 1.000 km chỉ với một lần sạc. Phiên bản mở rộng của ET7 sẽ được giao cho khách hàng vào quý 4 năm 2022.

Nhiều phóng viên thắc mắc về tính khả thi của thiết kế trên nên đã tìm đến nhà sản xuất pin đột phá Contemporary Amperex (CATL), có trụ sở tại thành phố Ninh Đức thuộc tỉnh Phúc Kiến, nhưng họ từ chối bình luận.

Nếu CATL đạt được hợp đồng sản xuất pin cho NIO, đó là niềm tự hào cho đất nước tỷ dân nói chung và cả ngành công nghiệp pin EV Trung Quốc nói riêng. Toàn ngành đang cố bắt kịp những hãng dẫn đầu nước ngoài, kể từ thời nhà hóa học nhập cư người Scotland, William Morrison, phát minh ra cỗ xe không ngựa chạy bằng 24 hộp ắc quy axit vào năm 1912.

Ông chủ của NIO tuyên bố với ngành công nghiệp xe hơi tương lai nước nhà rằng hãng không chỉ đương đầu với mỗi Tesla, mà cả các thương hiệu cao cấp như BMW, Mercedes và Audi. Ngoài lợi ích cho môi trường, công nghệ xe chạy pin khiến việc sở hữu một chiếc xe điện với vẻ ngoài sang trọng dễ dàng hơn.

“Nhờ ngành công nghiệp pin phát triển nhanh chóng, chi phí sản xuất đang giảm xuống. Các nhà sản xuất xe điện là những người được hưởng lợi lớn nhất từ tiến bộ khoa học công nghệ và nhờ đó chúng tôi tự tin tạo ra những chiếc xe tốt hơn nhà sản xuất xe ICE (động cơ đốt trong) với cùng chi phí”, ông tuyên bố trong một buổi họp báo.

Theo IHS Markit, chi phí của pin EV là 700 USD mỗi kilowatt giờ (kWh) vào năm 2012. Nó sẽ giảm xuống còn 100 đô la Mỹ mỗi kWh vào năm 2023 và 73 đô la Mỹ vào năm 2030. Mức giá 100 đô la Mỹ cho mỗi kWh là ngưỡng kỳ vọng cho công nghệ xe hơi tương lại cạnh tranh lại các đối thủ ngốn dầu.

Các nhà lắp ráp xe điện hàng đầu của Trung Quốc như NIO và Xpeng hiện đang trong cuộc chạy đua giành vị trí tối cao trong ngành xe hơi lưu động. Hoàn thành mục tiêu tham vọng của Bắc Kinh là trở thành người dẫn đầu toàn cầu vào năm 2025.

“Pin là thành phần quan trọng nhất và đóng vai trò quyết định trong lĩnh vực xe điện. Về mặt công nghệ, pin do Trung Quốc sản xuất vẫn thua kém nhiều các đối thủ về mật độ năng lượng. Nhưng họ có lợi thế về nguồn nhân lực và tài chính khổng lồ. Bên cạnh đó các nhà sản xuất pin Trung Quốc cũng quyết tâm cạnh tranh nắm bắt các công nghệ cốt lõi”, David Zhang, nhà nghiên cứu ngành công nghiệp ô tô tại Đại học Công nghệ Hoa Bắc cho biết.

Trung Quốc đang duy trì vị thế thống trị về năng lực vận hành và sản xuất pin EV. CATL hiện là nhà sản xuất pin EV lớn nhất thế giới, chiếm thị phần khoảng 30%, trước 25% của LG Energy Solution, theo SNE Research.

Sáu công ty sản xuất pin ô tô điện hàng đầu thế giới - CATL, LG Energy Solution, BYD, Panasonic, Samsung SDI và SK Innovation - đã cung cấp 87% pin và kim loại pin trong nửa cuối năm 2020.

Mật độ năng lượng là tiêu chuẩn quan trọng khi phân loại pin EV. Để ô tô điện có thể đi được quãng đường dài hơn giữa các lần sạc, pin phải tích hợp nhiều năng lượng nhưng không được quá nặng.

Chi phí sản xuất cũng là một vấn đề đáng lo ngại khi đây là ngành công nghiệp theo đuổi các vật liệu rẻ với trữ lượng dồi dào. Yếu tố cốt lõi trong thời đại trung tính carbon khi hàng triệu xe chạy xăng được thay thế bằng xe chạy pin trong thập kỷ tới.

Hiện tại, gần như tất cả các loại pin được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe điện đều thuộc loại pin lithium-ion hoặc Li-ion. Li-ion là một loại pin có thể sạc lại, bao gồm các ion lithium di chuyển từ điện cực âm qua chất điện phân sang điện cực dương trong quá trình phóng điện và ngược lại khi sạc. Nó bao gồm bốn phần chính: cực âm, cực dương, chất điện phân và bộ phân tách.

Pin thường được đặt tên theo vật liệu làm cực âm của nó, như trong trường hợp của pin NCM hoặc pin LFP. NCM, bao gồm lithium, niken, coban và mangan. Còn LFP được tạo thành từ lithium, sắt và phốt phát cùng với NCA chứa niken-coban và nhôm, là 3 loại pin chính dùng trong những chiếc xe điện bán chạy nhất trên thế giới.

CATL sản xuất pin LFP - còn được gọi là pin lưỡi vì hình dạng dài và mỏng của chúng - và NCM. Về mặt kỹ thuật, những loại pin có chứa các kim loại đắt tiền như niken và coban, có lợi thế về mật độ năng lượng. Pin NCM 811 của CATL có tỷ lệ niken, coban và mangan khoảng 8:1:1 nên có thể đạt được 340 watt-giờ ( đơn vị dùng để đo sản lượng điện) trên mỗi kg.

Pin NCM do LG Energy Solution sản xuất sử dụng niken, mangan và coban với các tỷ lệ khác nhau và có công suất từ 240Wh đến 350Wh mỗi kg. Nhà máy Panasonic tại Nhật Bản sản xuất pin lithium-ion hình trụ “18650” sử dụng công nghệ NCA, với mỗi gói chứa 340Wh mỗi kg.

Panasonic đang cải tiến “18650” để cung cấp năng lượng cho mẫu xe Model S và Model X. Hãng cũng phát triển công nghệ pin mới cho Li-ion “2170” giúp tăng mật độ năng lượng lên 5% và giảm việc sử dụng coban đắt tiền.

Tại Trung Quốc, các nhà lắp ráp EV ưa chuộng dòng pin LFP hơn các loại pin NCM và NCA. Vào tháng 9, pin LFP 9,5 gigawatt giờ (GWh) đã được lắp đặt trong các xe ô tô điện mới trên khắp đại lục. Đây được xem là bước nhảy vọt khi trước đó mức pin tối đa được dùng chỉ đạt 6,14 GWh do pin NCM và NCA cung cấp.

Theo các nhà phân tích trong ngành, pin LFP không chứa coban và niken nên có lợi thế riêng - nó rẻ hơn pin NCA và NCM ít nhất 10%. Ngoài ra thành phần chính của loại pin này là lithium và sắt, có trữ lượng rất dồi dào.

Vào cuối tháng 7, Giám đốc điều hành Tesla, Elon Musk, cho biết hãng sẽ sớm chuyển sang sử dụng các loại pin LFP không coban và có giá thành rẻ hơn. Một thay đổi cần thiết để tận dụng trữ lượng sắt dồi dào trên thế giới.

BYD, nhà sản xuất pin và ô tô điện do Warren Buffett’s Berkshire Hathaway hậu thuẫn, có pin lưỡi cắt tiên tiến của riêng mình. Thay vì tập trung vào nguyên liệu sản xuất, hãng tập trung tối ưu cấu tạo của LFP, sắp xếp các bộ phận trong đó một cách hiệu quả để tăng mật độ năng lượng và tăng cường khả năng chống quá nhiệt của chúng.

LFP chưa chiếm được nhiều thị phần như Li-ion, nhưng Ryan Castilloux, giám đốc điều hành của Adamas Intelligence, cho biết việc triển khai toàn cầu của nó đã tăng hơn 600% trong nửa cuối năm 2020.

Để có thể hiện thực hóa ước mơ của mình, các nhà lắp ráp xe điện và nhà sản xuất pin đang theo đuổi các công nghệ mới, chạy đua để có được pin thế hệ tiếp theo. Cố gắng bắt kịp với tốc độ phát triển chóng mặt của quá trình điện khí hóa trên đường.

Dù vậy, việc cải tiến một phân khúc lớn như vậy trong một thời gian ngắn là một nhiệm vụ không đơn giản.

“Mật độ năng lượng cao hơn là mục tiêu mà các nhà sản xuất pin và nhà sản xuất xe điện đang theo đuổi hiện nay. Tuy nhiên tốc độ thâm nhập thị trường và độ phổ biến ngày càng tăng của dòng xe điện có thể buộc họ phải xem xét lại các chiến lược của mình trong vòng 5 đến 10 năm tới”, Davis Zhang, giám đốc điều hành cấp cao tại Suzhou Hazardtex, công ty cung cấp giải pháp năng lượng chuyên về pin xe ô tô cho biết.

Các nhà sản xuất pin sẽ cố gắng đạt được sự cân bằng giữa chi phí sản xuất và cả hiệu suất khi mà thị trường xe điện đang ngày càng phát triển. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, đến năm 2030, có tổng cộng 145 triệu xe điện chạy trên khắp thế giới, một bước nhảy vọt lớn so với con số khiêm tốn 10 triệu vào năm 2020.

Dự báo của ngân hàng Thụy Sĩ UBS cho biết Trung Quốc vào năm 2030 sẽ trở thành thị trường xe điện lớn nhất thế giới. Cứ 5 xe chở khách mới được bán thì sẽ có 3 xe chạy bằng pin, đạt tổng cộng hơn 12 triệu chiếc.

Castilloux mô tả “cơn sóng thần nhu cầu” có thể gây áp lực chưa từng có lên các chuỗi cung ứng nguyên liệu pin và động cơ. Điều này sẽ làm tăng giá của lithium, niken, coban, neodymium, praseodymium, dysprosium và terbium trong những năm sắp tới.

Ông cũng dự đoán vào năm 2025 ngành công nghiệp xe điện toàn cầu sẽ đối mặt với nguy cơ thiếu trầm trọng niken và lithium, gây trì trệ sản xuất.

CATL đang phát triển một loại pin natri-ion mới sử dụng nguyên liệu thô rẻ hơn. Công ty tuyên bố với các nhà sản xuất xe điện một giải pháp thay thế hoàn hảo cho các loại pin sử dụng coban hiện có. “Công nghệ mới cho phép bộ pin nguyên mẫu có khả năng lưu trữ năng lượng là 160Wh/kg và mật độ sản phẩm thế hệ tiếp theo dự kiến vượt quá 200 Wh/kg”, trích lời Robin Zeng Yuqun, người sáng lập kiêm Chủ tịch CATL.

“Chúng tôi sẽ cống hiến hết mình để liên tục cải thiện hiệu suất pin, đồng thời đẩy nhanh quá trình điện khí hóa toàn diện trong giao thông vận tải. Chúng tôi có hơn 5.000 nhân viên nghiên cứu đang cống hiến hết mình cho sự phát triển của công nghệ mới”.

“Phạm vi của bản mẫu đã có thể so sánh với thành tích của pin LFP. CATL sẽ sớm xây dựng một chuỗi công nghiệp cơ bản vào năm 2023 chuyên sản xuất công nghệ pin natri-ion”, Zeng cho biết tại một cuộc họp ngắn vào cuối tháng 7.

Ông cũng thừa nhận một điểm yếu của dòng pin này là mật độ năng lượng không cao nhưng bù lại nó có hiệu suất ở nhiệt độ thấp và tốc độ sạc nhanh.

“Cách tiếp cận đúng đắn đối với công nghệ pin mới là yêu cầu ít hàm lượng coban và niken hơn, vì nguồn cung kim loại này có hạn. Chúng tôi đang tìm kiếm, theo dõi sát sao sự phát triển của các công nghệ mới”, Kevin Shen Yanan, chủ tịch và đồng sáng lập của Li Auto, một trong ba EV thông minh hàng đầu cho biết.

Tháng trước, LG cho biết đang hợp tác với Đại học California San Diego để cùng phát triển loại pin thể rắn thế hệ mới, có ưu thế giúp LG vượt qua đối thủ. Pin thể rắn được nhiều nhà sản xuất tin dùng vì dòng điện từ điện cực rắn và chất điện phân rắn an toàn cũng như hiệu quả hơn so với chất điện phân lỏng hoặc gel polyme có trong pin lithium-ion hoặc lithium polymer.

“Chúng tôi đang nghiên cứu cách giúp tiết kiệm năng lượng hơn cùng với quy trình tái tạo vật liệu từ phế liệu, thay thế việc tái chế chỉ giữ lại một vài yếu tố chính trước kia”, Chung Geun-chang, trưởng nhóm nghiên cứu pin tại LG Energy Solution phát biểu tại một diễn đàn EV ở tỉnh đảo Hải Nam, miền nam Trung Quốc vào 16/9.

LG từng công bố trong Science, một trong những tạp chí học thuật hàng đầu, pin của họ cung cấp 500 chu kỳ sạc và xả với 80% dung lượng duy trì ở nhiệt độ phòng. Trước đây, pin thể rắn sử dụng lithium kim loại làm cực dương, chỉ có thể sạc ở nhiệt độ 60 độ C trở lên, làm dấy lên lo ngại về giá sạc.

Đến hiện tại, chúng ta vẫn chưa biết ai là người cung cấp pin thể rắn cho NIO. Các nhà phân tích dự đoán đó là CATL vì công ty hiện đang theo đuổi công nghệ này.