Phát triển pin EV thể rắn là mục tiêu mà hầu như tất cả các nhà sản xuất xe điện hiện nay đang tập trung phát triển. Công ty khởi nghiệp ProLogium Technology cũng là một trong những công ty khởi nghiệp đang trong cuộc đua tìm giải pháp phát triển pin thể rắn nhẹ hơn và có hiệu suất cao hơn, kết hợp với nhà sản xuất ô tô có tuổi đời hàng thế kỷ.

Thực trạng của pin EV hiện nay.

Pin EV hiện nay là sự phát triển cao hơn của pin lithium-ion thông thường, được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các loại thiết bị lưu trữ điện năng. Pin Li-ion sử dụng chất điện phân lỏng, có chức năng vận chuyển các ion lithium giữa 2 điện cực. Chất điện phân lỏng cho pin lithium-ion được phát triển từ những năm 1990 và công nghệ 30 năm tuổi này trong sự phát triển mạnh mẽ của EV cần có sự thay đổi.

Nguyên nhân chủ yếu là chất điện phân dạng lỏng có xu hướng cạn kiệt sau một số chu kỳ sạc nhất định, dễ gây cháy nổ khi làm việc trong môi trường với nhiệt độ tăng cao và khó làm giảm kích thước của bộ pin trong EV. Pin EV chất điện phân lỏng cũng gây ô nhiễm môi trường trong cả quy trình sản xuất, quá trình khai thác sử dụng và khi hỏng hóc hoặc hết tuổi thọ. Nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng đòi hỏi pin EV có chi phí phù hợp, hoạt động ổn định hơn, có thể giải quyết các vấn đề về môi trường và phục hồi tài nguyên trong chuỗi cung ứng pin.

Những người sử dụng EV và các thiết bị lưu trữ điện năng hy vọng, pin thể rắn EV sẽ có khả năng sạc nhanh và mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium-ion chất lỏng hiện nay.

"Chất rắn" trong pin EV trạng thái rắn đề cập đến chất điện phân rắn. Công nghệ này được khám phá vào những năm 1800 nhưng khả năng vận chuyển các hạt điện tích trong chất điện phân rất thấp so với chất điện phân lỏng, do đó hiệu suất của pin thể rắn không cao so với pin thể lỏng nếu sự dụng vật liệu rắn thông thường, rẻ tiền. Chính vì vậy đến ngày nay, pin thể rắn vẫn chưa được sử dụng rộng rãi.

Các nhà khoa học đã đạt được bước đột phá quan trọng vào tháng 6, khi Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ ở Tennessee đã nghiên cứu kỹ lưỡng chất điện phân lithium photpho oxynitride (LiPON) rắn do phòng thí nghiệm phát triển vào những năm 1990. Những nghiên cứu trước đó xác định chất điện phân rắn ổn định hơn chất điện phân lỏng, nhưng không biết chính xác nguyên nhân.

Triển khai kết hợp phép đo phản xạ (phép đo quang truyền qua) và điện hóa, nhóm nghiên cứu đã phát hiện được một lớp kích thước nano có độ dày khoảng 70 nguyên tử là chìa khóa để hình thành một pha xen kẽ ổn định giữa Lithium photpho oxy-nitride (LiPON) vật liệu điện phân rắn và lithium. Nhóm nghiên cứu đang thực hiện các nghiên cứu tiếp theo, điều chỉnh lớp giao diện tiếp xúc này để tối ưu hóa hiệu suất pin và thử nghiệm với những chất điện phân trạng thái rắn khác.

Prologium phát triển giải pháp quản lý nhiệt cho pin EV điện phân lỏng

Quá nóng là một trong những thách thức khó khăn trong thiết kế pin EV điện phân lỏng khi pin EV trạng thái rắn chưa trở thành phổ dụng. Đồng thời, kiểm soát nhiệt cũng là một vấn đề lớn với pin thể rắn. ​​ProLogium, trong chương trình nghiên cứu và phát triển của doanh nghiệp đã thông báo những kết quả ấn tượng.

Công ty khởi nghiệp tại Đài Loan giới thiệu một phiên bản mới pin EV trạng thái rắn, sử dụng chất điện phân gốm oxit. Theo thông báo của ProLogium, pin EV mới của doanh nghiệp có tính năng dẫn nhiệt và ổn định nhiệt cao trong số những tính năng lý hóa của sản phẩm, đòi hỏi phải có một hệ thống kiểm soát nhiệt độc lập.

Prologium đã hợp tác với công ty MAHLE của Đức, phát triển một hệ thống được thiết kế riêng cho loại pin mới. Đây là bước đột phá đầu tiên của MAHLE vào công nghệ pin thể rắn, nhưng lịch sử của doanh nghiệp với tư cách là nhà cung cấp thiết bị ô tô từ khi thành lập vào năm 1920. MAHLE cho biết, khoảng một nửa số phương tiện lưu thông trên đường hiện nay trên thế giới có ít nhất một bộ phận MAHLE dưới mui xe.

ProLogium tuyên bố, hợp tác giữa hai công ty tạo nên sự kết hợp hoàn hảo. “Sự hợp tác giữa hai công ty tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật pin thế hệ tiếp theo là một bước tiến nhảy vọt trong tiến trình xác lập và định hình chuỗi giá trị pin mang tính cách mạng, điều kiện quan trọng thúc đẩy tiến trình công nghiệp hóa pin thể rắn.” Vincent Yang, người sáng lập kiêm Giám đốc điều hành của ProLogium giải thích.

Liên doanh đang tập trung vào giai đoạn phát triển nguyên mẫu pin EV thể rắn, nếu quá trình R&Đ diễn ra theo đúng kế hoạch, pin EV sẽ có thêm yếu tố quan trọng nhất, khả năng thương mại hóa và tung ra cho thị trường.

Dự án chung bắt đầu bằng nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng pin ProLogium. Trong tương lai, khi được hoàn thiện để đưa vào thương mại hóa, pin EV thể rắn “ProLogium-MAHLE” sẽ sử dụng các cực dương oxit silic 100% của ProLogium và hệ thống kiểm soát nhiệt do MAHLE thiết kế.

Pin EV thể rắn, hành trình dài để đạt được tính khả thi thương mại

Hiện nay, pin EV thể rắn tương đối đắt, nhưng những nhà nghiên cứu thị trường có thể cho thấy, giá thành của pin lithium-ion EV thông thường cũng từng cao hơn rất nhiều trong giai đoạn ban đầu. Bộ Năng lượng Mỹ lưu ý, chi phí một bộ pin EV đã giảm ấn tượng 89% từ năm 2008 đến năm 2022, giá được tính bằng trị giá USD Mỹ của năm 2022.

Theo báo cáo của Bộ Năng lượng Mỹ, “Giá ước tính năm 2022 là 153 USD/kWh trên cơ sở sản xuất quy mô công nghiệp 100.000 đơn vị pin EV thể rắn mỗi năm so với 1.355 USD/kWh vào năm 2008, chi phí giảm những tiến bộ trong công nghệ pin và hóa chất, đồng thời gia tăng quy mô sản xuất.”

Con số 153 USD/kWh thực tế cao hơn so với giá 143 USD/kWh năm 2020, một phần là do giá lithium tăng đột biến gần đây. Tại Mỹ, giá thành lithium ion sẽ giảm xuống trong những năm tới khi quốc gia này bắt đầu khai thác nguồn tài nguyên lithium trong nước.

Bộ Năng lượng Mỹ đặt mục tiêu giảm thêm 50% chi phí cho pin EV vào năm 2030, cho thấy pin EV thể rắn có rất nhiều điều kiện để thương mại hóa thuận lợi. Kết quả thống kê của công ty Nghiên cứu và Thị trường năm 2019 cho biết:

“…trong giai đoạn phát triển ban đầu, công nghệ pin thể rắn được ước tính có chi phí cao, dao động trong khoảng ~800 USD /kWh đến ~400USD/kWh vào năm 2026. Ở cấp độ này, công nghệ thể rắn được kỳ vọng sẽ có thể được áp dụng trong các loại xe cao cấp, siêu xe và xe hơi sang trọng, do EV có thể dễ dàng trang bị công nghệ như vậy trong khung chi phí mở rộng của người dung.”

Prologium phân tích, một trong những ưu điểm của pin thể rắn là mật độ năng lượng cao, có thể mang lại sức mạnh tương tự như pin thông thường nhưng chiếm ít không gian hơn trong xe, giúp giảm chi phí chung. Đồng thời pin thể rắn cũng có thể giảm sử dụng nguyên liệu thô và rác thải sản xuất, giảm giá thành xe trong tương lai. Hơn thế nữa, chi phí của pin EV thể rắn sẽ được bù đắp bằng vòng đời khai thác sử dụng và khả năng sạc nhanh.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong lĩnh vực pin EV, đặc biệt trên cơ sở những ưu điểm của pin EV thể rắn sẽ thúc đẩy nhanh chóng quá trình giảm giá thành và khả năng phổ dụng của loại pin mới này, không chỉ trong lĩnh vực EV mà trong tất cả các lĩnh vực lưu trữ năng lượng.