Đã sạc: Tương lai của pin

Trước khi pha cà phê buổi sáng, bạn cắm sạc xe. Khi cà phê đã được pha xong, mức sạc của xe sẽ tăng từ 0 lên 100, sẵn sàng cho hàng trăm km bạn ngồi thư giãn và được chở đi họp. Viễn cảnh này là một thực tế đang dần hình thành bắt nguồn từ những đột phá gần đây về công nghệ pin. Từ xe điện (EV) đến điện thoại thông minh và lưu trữ quy mô lớn, các phương án điều chỉnh và thay thế cho mẫu pin hàng đầu hiện nay, lithium-ion (Li-ion), đã và đang ngày càng được ưa chuộng. 

Điều gì đang chờ đón ở phía trước?
Ngày càng có nhiều công nghệ mới có thể mở ra tương lai cho pin - một số công nghệ khả thi hơn những công nghệ khác. Một cải tiến đối với pin lithium là sự phát triển của cái gọi là pin Li-ion thể rắn, trong đó hứa hẹn nhất là sử dụng graphene. Công nghệ này mang lại độ ổn định vượt trội, thời gian lưu trữ dài hơn và tốc độ sạc được cải thiện đáng kể. Samsung đã công bố rằng họ đang phát triển một loại pin graphene có tiềm năng tăng dung lượng pin lên gần 50% và tăng tốc độ sạc lên 500%, lên khoảng 12 phút cho một lần sạc đầy. Những tác động này cũng rất hứa hẹn đối với thị trường xe điện, nơi pin graphene có thể cung cấp tốc độ sạc tương tự như điện thoại thông minh và phạm vi hoạt động lên tới 500 km.
Một cải tiến đột phá của pin lithium hiện tại là sử dụng cát thay vì than chì, mang lại kết quả tốt hơn gấp ba lần so với pin lithium truyền thống. Nhờ sử dụng cát, pin lithium mới này cũng có chi phí sản xuất thấp hơn đáng kể, không độc hại và thân thiện với môi trường.
Một giải pháp thân thiện với môi trường khác là nước. Pin dòng chảy lỏng sử dụng nước có độ pH trung tính để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài và cũng có thể được sử dụng để tạo ra điện. Một công ty ở Úc đang nỗ lực tạo ra loại pin lớn nhất thế giới bằng cách sử dụng một hồ nước tự nhiên và một hệ thống tua-bin và đường hầm. Các nhà sản xuất điện thoại thông minh cũng nhận thấy tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ này cho các ứng dụng quy mô nhỏ.
Pin natri-ion là một ứng cử viên đáng chú ý khác. Loại pin này có thể có hiệu suất cao hơn pin Li-ion tới bảy lần. Mặc dù việc thương mại hóa có lẽ vẫn còn phải mất một thập kỷ nữa, nhưng pin natri-ion có thể thay thế hoàn toàn pin lithium, vì chúng có chi phí sản xuất rẻ hơn rất nhiều mà vẫn mang lại hiệu suất tốt hơn.
Các công nghệ khác đang được tích cực nghiên cứu và phát triển cho pin bao gồm quang hợp, dây nano vàng, pin nhiên liệu, pin năng lượng mặt trời, pin xốp và pin đeo được.

Tình hình hiện nay thế nào?

Là người mua pin Li-ion lớn nhất, Tesla đang trên đà trở thành nhà sản xuất lớn nhất nhờ các nhà máy Gigafactory của Tesla. Nhà máy đầu tiên — tại Nevada, Hoa Kỳ — sẽ sản xuất pin Li-ion, mà Tesla cần tương đương với nguồn cung hiện tại trên toàn thế giới. Nhà máy là một dự án hợp tác giữa Tesla và Panasonic của Nhật Bản và đến năm 2020, Tesla hy vọng sản xuất các bộ pin với giá dưới $100 mỗi kWh. Việc giảm chi phí pin Li-ion đồng nghĩa với việc khuyến khích sử dụng các nguồn năng lượng thay thế và CEO Elon Musk có kế hoạch xây dựng thêm nhiều nhà máy Gigafactory nữa trong tương lai gần. Đối với dự án Tesla Gigafactory Châu Âu, ông được cho là đã cân nhắc Cộng hòa Séc và Phần Lan, cùng một số quốc gia khác.
Các nhà cung cấp pin nổi tiếng nhất bao gồm Samsung và LG Chem, nhưng Trung Quốc đứng ngay sau. Do nhu cầu dự kiến lớn - kết quả của sự phát triển của xe điện và hệ thống lưu trữ - nhu cầu sản xuất cell pin đã đạt mức chưa từng có. Trong ba năm qua, công suất sản xuất cell pin đã tăng hơn gấp đôi, chủ yếu nhờ vào sản lượng cell pin của Trung Quốc, vốn đã chiếm thị phần lớn hơn sản lượng toàn cầu của Nhật Bản.
Một đối thủ đáng gờm có thể được tìm thấy ngay tại Cộng hòa Séc: HE3DA Ltd. Tự xưng là đơn vị tiên phong trong nghiên cứu ứng dụng và thương mại hóa công nghệ pin, HE3DA đang tận dụng tốc độ sạc và xả cao của pin dựa trên công nghệ nano; sau nhiều lần thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tăng độ an toàn của pin và giảm chi phí sản xuất xuống khoảng 1/20 so với tiêu chuẩn hiện tại.
HE3DA đã hợp tác với European Metals, đơn vị nắm giữ quyền khai thác quanh làng Cínovec của Séc. Nơi này giàu lithium đến mức có thể chiếm khoảng 3% trữ lượng lithium toàn cầu, trở thành nguồn tài nguyên lớn nhất châu Âu. Với vị trí gần biên giới với Đức, truyền thống khai thác lâu đời và tỷ lệ thất nghiệp cao, nơi đây đã thu hút nhiều nhà sản xuất. Daimler, chủ sở hữu của Mercedes-Benz, đang xây dựng nhà máy sản xuất pin lithium thứ hai tại một thị trấn của Đức, chỉ cách làng Cínovec 90 km.

Lái xe tương lai
Cạnh tranh cho loại pin hoàn hảo diễn ra sôi động nhất trong lĩnh vực ô tô. Theo các nhà phân tích, xe điện sẽ là một ngành công nghiệp toàn cầu trị giá $240 tỷ vào năm 2040 và sẽ chiếm tới 40% tổng doanh số xe toàn cầu trong 20 năm tới. Điều này có nghĩa là 40 triệu xe điện sẽ được bán ra hàng năm ngay cả khi thị trường xe toàn cầu không tăng trưởng.
Hiện nay, xe điện chủ yếu sử dụng pin sạc Li-ion. Mật độ năng lượng cao của pin đảm bảo tuổi thọ đủ cho hầu hết các xe điện, và giá cả ngày càng phải chăng. Tuy nhiên, pin Li-ion cũng tương đối dễ vỡ, nhạy cảm với nhiệt độ, và mặc dù có tuổi thọ cao, nhưng tình trạng xuống cấp dần dần có thể xảy ra gần như ngay lập tức, ngay cả sau khi không sử dụng.
Một giải pháp có thể là thay thế chất lỏng bằng chất rắn. Chất điện phân lỏng trong pin Li-ion hiện tại cho phép các hạt tích điện chảy qua. Một số chất rắn cũng cho phép dòng chảy này, nhưng không đạt tốc độ cần thiết cho các thiết bị công suất cao. Tuy nhiên, Toyota đã tuyên bố rằng đến năm 2020, hãng sẽ ra mắt một mẫu xe điện mới sử dụng pin lithium thể rắn. Nếu pin dạng rắn này được ứng dụng rộng rãi, nó sẽ loại bỏ nguy cơ cháy nổ và mở ra cánh cửa cho cực dương hoàn toàn bằng kim loại, mang lại dung lượng năng lượng lớn hơn. Đây sẽ là một bước đột phá.
Cũng có khả năng sự thống trị của pin sẽ kết thúc, khi các công ty như General Motors (GM), Toyota, Volkswagen, và thậm chí cả UPS đang phát triển xe điện chạy bằng hydro, vượt xa phạm vi hoạt động của các xe điện khác trên mỗi lần nạp nhiên liệu. Hydro cung cấp năng lượng sạch, sản phẩm cuối cùng duy nhất là nhiệt và nước. Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu hydro có một động cơ điện, nhưng nó sản xuất điện trên xe từ nhiên liệu hydro được lưu trữ. Tuy nhiên, việc thu thập hydro lại gặp nhiều vấn đề: nó phải được nén và lưu trữ trong các bình chứa lớn hơn nhiều so với một bình xăng tương đương năng lượng, và quá trình này rất tốn thời gian. Do đó, những tiến bộ hơn nữa là vô cùng cần thiết để thúc đẩy công nghệ này phát triển.