Sussie✔
Intern Writer
Những năm gần đây, chúng ta liên tục nghe về những đột phá trong ngành xe điện, nào là "quãng đường đi được vượt ngưỡng 1000 km", nào là "công nghệ mang tính cách mạng". Trong số đó, pin thể rắn (solid-state battery) được truyền thông tô vẽ như một vị thần, hứa hẹn sẽ đưa nền văn minh di chuyển của chúng ta sang một kỷ nguyên mới.
Thế nhưng, có một sự thật phũ phàng là dù các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đã đổ hàng trăm tỷ đồng vào cuộc đua được mệnh danh là "chén thánh của ngành pin", thì đến nay, trên thị trường toàn cầu vẫn chưa có bất kỳ nhà sản xuất ô tô nào có thể sản xuất xe điện chạy pin thể rắn quy mô lớn. Vậy tại sao cả ba cường quốc công nghệ này lại gặp khó khăn chung trên con đường này?
Nếu ví hệ thống điện trong xã hội hiện đại như mạch máu của công nghiệp, thì pin chính là trái tim nuôi dưỡng mọi thiết bị thông minh. Pin thể rắn dùng chất điện phân rắn thay thế cho chất lỏng dễ cháy, giúp mật độ năng lượng có thể vượt ngưỡng 480 Wh/kg, đồng thời loại bỏ nguy cơ tự cháy từ gốc rễ. Ai nắm giữ công nghệ này, người đó sẽ nắm quyền định giá trên thị trường hàng nghìn tỷ đô la. Tuy nhiên, hành trình "thay tim" này khó khăn hơn gấp trăm lần so với tưởng tượng của chúng ta. Rất nhiều người thắc mắc, công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển hơn mười năm rồi, vậy rốt cuộc nó đang vướng mắc ở đâu mà vẫn chưa thể ra mắt thị trường?
Nhìn lại chặng đường nghiên cứu kéo dài hơn một thập kỷ này, những tranh cãi về khó khăn trong sản xuất hàng loạt chưa bao giờ chấm dứt. Giới chuyên gia đã chỉ ra nhiều rào cản mà pin thể rắn phải đối mặt.
Ngoài vấn đề về chi phí, thuộc về hệ thống kỹ thuật, thì còn có những thách thức về hệ thống vật liệu. Trong ít nhất mười năm qua, ngành công nghiệp đã khám phá rất nhiều lộ trình kỹ thuật cho hệ thống vật liệu pin thể rắn. Khi nói về pin lithium, chúng ta thường đề cập đến bốn vật liệu chính: cực dương, cực âm, chất điện phân và màng ngăn. Mỗi loại vật liệu này đều có thể thay đổi các đặc tính của pin.
Để đánh giá hiệu suất của pin, chúng ta chủ yếu xem xét ba chỉ số cốt lõi. Đầu tiên là mật độ công suất, thể hiện khả năng sản sinh công suất tức thời trên một đơn vị thể tích, liên quan đến cường độ dòng điện. Dòng điện lớn tương ứng với khả năng sạc và xả nhanh hơn, nhưng mật độ công suất không thể trực tiếp đồng nghĩa với đặc tính tốc độ xả. Thứ hai là mật độ năng lượng mà chúng ta thường biết, mật độ năng lượng càng cao trong một thể tích cố định, thời gian hoạt động càng dài và khả năng lưu trữ điện năng càng mạnh. Thứ ba là tuổi thọ chu kỳ, thể hiện tổng số lần pin có thể sạc và xả lặp lại, liên quan trực tiếp đến tốc độ suy giảm của pin. Mỗi lần cải tiến một trong bốn vật liệu chính đều sẽ mang lại những cải thiện hoặc ảnh hưởng tiêu cực ở mức độ khác nhau đến ba chỉ số hiệu suất này.
Trong ngành pin tồn tại một "tam giác bất khả thi" về hiệu suất, nghĩa là rất khó để tối ưu hóa đồng thời mật độ công suất, mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ. Thiết kế sản phẩm sẽ phải đưa ra sự đánh đổi dựa trên kịch bản sử dụng thực tế. Pin dùng cho xe điện sẽ ưu tiên cân bằng giữa mật độ năng lượng và mật độ công suất. Trong khi đó, pin lưu trữ năng lượng lại chú trọng hơn đến tuổi thọ chu kỳ. Về vật liệu cực dương, phổ biến là hệ thống niken-coban-mangan (NCM) ba thành phần và hệ thống lithium sắt photphat (LFP), sau này còn có các hệ thống dựa trên mangan đang được nghiên cứu liên tục. Các vật liệu cực dương khác nhau tương ứng với các mức điện áp khác nhau, điện áp càng cao, giới hạn mật độ năng lượng lý thuyết càng cao.
Theo hướng cực âm, ngành công nghiệp đang tăng tỷ lệ silicon trong cực âm silicon-carbon và silicon-oxy. Những vật liệu này có thể cải thiện khả năng sạc nhanh. Tuy nhiên, các giải pháp này hiện vẫn chưa được sản xuất hàng loạt. Trong quá trình phát triển pin thể rắn, ngành công nghiệp rất kỳ vọng vào việc hiện thực hóa cực âm kim loại lithium nguyên chất, nhưng việc triển khai công nghệ này vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Sự khác biệt lớn nhất giữa pin thể rắn và pin lỏng nằm ở chất điện phân. Việc nâng cấp vật liệu điện phân có thể vừa tăng mật độ năng lượng vừa cải thiện độ an toàn. Việc lựa chọn màng ngăn sẽ ảnh hưởng đến tốc độ truyền ion. Hệ thống vật liệu của pin thể rắn hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển và cải tiến liên tục.
Chất điện phân thể rắn được chia thành hệ thống oxit, hệ thống sulfua và hệ thống polymer. Hiện nay, nhiều hướng nghiên cứu tập trung vào hệ thống hỗn hợp, kết hợp nhiều loại vật liệu. Ở Trung Quốc, lộ trình sulfua đã đạt được một số đột phá, đây cũng là lý do khiến pin thể rắn trở nên "nóng" hơn trong thời gian gần đây.
Trước đây, ngành công nghiệp thường tin rằng hệ thống oxit có độ ổn định hóa học tốt nhất, nhưng chất điện phân oxit lại cực kỳ khó gia công. Hệ thống vật liệu vẫn chưa hình thành một giải pháp tối ưu ổn định và thống nhất, đây chính là rào cản đầu tiên. Thực tế là, dù các tập đoàn lớn của Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đã giải quyết được các vấn đề về vật liệu nêu trên, họ vẫn phải đối mặt với khó khăn lớn trong việc sản xuất hàng loạt. Sau khi đạt được đột phá về hệ thống vật liệu, thách thức tiếp theo rơi vào nghiên cứu kỹ thuật của các nhà sản xuất pin.
Việc làm thế nào để kết hợp các vật liệu phù hợp nhằm đạt được hiệu suất pin tối ưu là một lĩnh vực khoa học thực nghiệm trong điện hóa học. Các công thức kết hợp khác nhau sẽ tạo ra sự khác biệt lớn về hiệu suất pin cuối cùng. Pin thể rắn hướng tới mật độ năng lượng cao hơn. Nếu được sản xuất hàng loạt trong tương lai, chúng ta có thể sẽ bắt đầu với hệ thống ba thành phần (NMC) vì bản thân hệ thống này có giới hạn mật độ năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tỷ lệ các nguyên tố bên trong vật liệu ba thành phần như thế nào để phù hợp hoàn hảo với chất điện phân thể rắn và phát huy hết hiệu suất cũng là một công việc đòi hỏi thử nghiệm và xác minh liên tục. Rào cản lớn thứ ba chính là quy trình sản xuất và gia công.
Quy trình sản xuất pin lỏng là trộn vật liệu bột thành hỗn hợp sệt, phủ đều lên vật liệu nền, sau đó thực hiện cuộn hoặc xếp lớp. Pin thể rắn sử dụng vật liệu bột rắn, không có dung môi lỏng, nên việc phủ đều trở nên vô cùng khó khăn. Sau khi phủ, cần thực hiện quy trình nén đẳng tĩnh để nén chặt vật liệu dưới áp lực cố định, đảm bảo mật độ vật liệu đạt tiêu chuẩn. Việc phủ không đều hoặc nén không đủ sẽ trực tiếp làm giảm hiệu suất của pin. Mỗi khâu trong quy trình công nghệ, ngay cả khi đã được thử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm, vẫn còn một khoảng cách rất lớn so với yêu cầu về chi phí sản xuất hàng loạt.
Ví dụ, giá chất điện phân sulfua hiện nay nằm trong khoảng vài triệu nhân dân tệ mỗi tấn (tương đương hàng tỷ VNĐ). Để đạt được mức chi phí của pin lithium hiện tại, giá cần giảm xuống còn một phần mười so với hiện tại, tức là khoảng 300.000 đến 500.000 nhân dân tệ mỗi tấn (tương đương khoảng 1 tỷ đến 1,7 tỷ VNĐ) hoặc thấp hơn nữa, mới có cơ sở để thương mại hóa quy mô lớn. Ngoài ra còn có vấn đề về chi phí thiết bị.
Hiện tại, hầu hết pin thể rắn vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm, chưa có dây chuyền sản xuất quy mô gigawatt. Chi phí xây dựng một dây chuyền thử nghiệm đơn lẻ gấp nhiều lần, thậm chí gấp mười lần so với dây chuyền sản xuất pin lithium hiện có. Phía thiết bị cũng có không gian giảm giá khổng lồ. Trong ba đến năm năm tới, mọi khâu trong chuỗi cung ứng pin thể rắn vẫn còn rất nhiều không gian để tối ưu hóa công nghệ và giảm chi phí. Toàn bộ chuỗi cung ứng có độ phức tạp rất cao, giống như nấu ăn, không chỉ cần đột phá về nguyên liệu mà còn cần đồng bộ hóa đổi mới về quy trình chế biến và thiết bị sản xuất. Ngành công nghiệp pin thể rắn hiện đang trong giai đoạn cạnh tranh công nghệ với nhiều thử nghiệm liên tục và tiến bộ từng bước nhỏ.
Nhìn xa hơn, nhiều người từng nghĩ rằng các ông lớn nước ngoài sẽ dễ dàng vượt lên trong cuộc đua pin thể rắn, thậm chí cho rằng Trung Quốc chỉ có thể ở thế bám đuổi. Nhưng thực tế là, tính đến năm 2026, Trung Quốc đã chiếm khoảng 44% bằng sáng chế cốt lõi toàn cầu, vượt qua Nhật Bản với ưu thế áp đảo. Điều này đã đập tan những niềm tin sai lầm về công nghệ trước đây.
Cách đây ba năm, nghiên cứu pin thể rắn ở Trung Quốc về cơ bản vẫn đang trong giai đoạn đuổi theo. Cho đến nay, trên toàn cầu vẫn chưa có sản phẩm pin thể rắn nào được sản xuất hàng loạt thực sự. Nhật Bản và Hàn Quốc đã sớm bắt đầu xây dựng kho dự trữ công nghệ liên quan, và nhiều công ty khởi nghiệp ở Mỹ cũng đã tham gia vào việc nghiên cứu và phát triển pin thể rắn. Gần đây, nhiều doanh nghiệp Trung Quốc liên tục công bố các sản phẩm pin thể rắn liên quan, một số doanh nghiệp thậm chí đã trưng bày các mẫu thử nghiệm.
Hiện tại, Trung Quốc và các đối tác toàn cầu về cơ bản đang ở trạng thái song hành, thậm chí một số khâu kỹ thuật còn dẫn đầu. Mặc dù các doanh nghiệp nước ngoài đã sớm đưa ra khái niệm pin thể rắn, nhưng nhiều nhà sản xuất ô tô lâu đời lại có nền tảng vững chắc từ các lợi thế sẵn có. Toyota là một trong những doanh nghiệp đầu tiên đưa ra kế hoạch sản xuất pin thể rắn hàng loạt, nhưng mảng kinh doanh xe chạy nhiên liệu hóa thạch của họ lại có gốc rễ sâu rộng. Việc chuyển đổi hoàn toàn sang pin thể rắn tương đương với việc tự "cách mạng hóa" hoạt động kinh doanh cốt lõi của chính mình, giống như cách Nokia đối mặt với làn sóng điện thoại thông minh ngày xưa, gặp phải sự cản trở lớn trong quá trình chuyển đổi. Các doanh nghiệp lớn có lợi thế trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, nhưng liệu họ có thể quyết tâm đầu tư toàn diện vào các lộ trình công nghệ mới hay không là điểm mấu chốt cần quan sát sau này.
Trong nội bộ ngành, định nghĩa về sản xuất hàng loạt (mass production) không giống nhau. Sản xuất thử nghiệm số lượng nhỏ, hay còn gọi là SOP (Start of Production) trong ngành, tức là xây dựng dây chuyền thử nghiệm và sản xuất một số lượng nhỏ xe thử nghiệm, cũng có thể được coi là sản xuất hàng loạt. Nhưng nếu là sản xuất hàng loạt quy mô lớn, với tỷ lệ lắp đặt vào xe đạt 5 đến 10% trong vòng một năm, xe điện được trang bị pin thể rắn trên quy mô lớn, thì tiêu chuẩn sẽ hoàn toàn khác.
Khả năng sản xuất hàng loạt nhỏ vào năm 2028 là khá cao. Các doanh nghiệp có thể không tính đến chi phí để xây dựng dây chuyền và hoàn thành các mẫu sản phẩm. Tuy nhiên, để đạt được sản xuất hàng loạt thương mại quy mô lớn, nếu không có những đột phá công nghệ lớn vượt ngoài dự kiến, thì độ khó vẫn rất cao.
Ngay cả khi lộ trình sulfua đang được quan tâm nhất, chúng ta cũng không thể khẳng định nó sẽ là người chiến thắng cuối cùng. Một số công ty pin nước ngoài không chọn lộ trình sulfua, mà thay vào đó sử dụng chất điện phân oxit hoặc halogenua, kết hợp với vật liệu cực âm cải tiến, cũng có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của pin. Hiện tại, không có lộ trình kỹ thuật nào có thể đảm bảo thành công 100%. Chính vì Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đều đang vật lộn trong "vũng lầy" công nghệ này, ngành công nghiệp cũng dần nhận ra rằng, để pin thể rắn thực sự vượt qua nút thắt cổ chai về thương mại hóa, ô tô có lẽ không phải là điểm đến đầu tiên.
Pin thể rắn dùng cho ô tô không nhất thiết là phân khúc đầu tiên được đưa vào sản xuất hàng loạt. Các sản phẩm như thiết bị đeo tay, điện thoại di động, máy bay không người lái nhỏ cũng có nhu cầu cấp thiết về việc tăng thời lượng pin, và môi trường hoạt động của chúng không khắc nghiệt như xe điện. Do đó, những sản phẩm này có khả năng sẽ đạt được sản xuất hàng loạt pin thể rắn trước. Các tập đoàn điện tử tiêu dùng hàng đầu thế giới đang chuẩn bị, và trong một đến hai năm tới, rất có thể sẽ tung ra các sản phẩm điện tử tiêu dùng được trang bị pin thể rắn. Các sản phẩm này có thể không sử dụng chất điện phân thể rắn sulfua, mà thay vào đó là các giải pháp thể rắn phù hợp với ứng dụng pin lithium tiêu dùng.
Giá pin điện đã giảm nhanh chóng trong những năm gần đây. Báo cáo tài chính của các công ty niêm yết cho thấy, ngoại trừ một số công ty hàng đầu, hầu hết các nhà sản xuất pin điện đều có tỷ suất lợi nhuận rất thấp, một số thậm chí còn thua lỗ. Tỷ suất lợi nhuận của pin lithium tiêu dùng cao hơn từ 5 đến 10 điểm phần trăm, hoặc thậm chí cao hơn nữa so với pin điện. Mặc dù quy mô thị trường pin tiêu dùng không lớn bằng pin điện, nhưng khả năng sinh lời lại mạnh hơn. Chi phí pin điện chiếm khoảng một phần ba tổng chi phí xe, tùy thuộc vào cấu hình xe mà có thể dao động. Chi phí pin bên trong điện thoại di động chiếm chưa đến 10% tổng chi phí của cả chiếc điện thoại. Ngay cả khi pin thể rắn làm tăng nhẹ chi phí pin, các nhà sản xuất điện tử tiêu dùng vẫn có khả năng chịu đựng chi phí tốt hơn, và không quá nhạy cảm với việc tăng giá.
Các thiết bị camera, máy bay không người lái nhỏ hiện nay chỉ có thể hoạt động trong khoảng một đến hai giờ. Nếu pin thể rắn có thể kéo dài thời lượng pin lên bốn đến sáu giờ, những sản phẩm này cũng sẽ có khả năng chấp nhận mức tăng chi phí cao hơn. Do đó, có thể nhận định rằng, pin thể rắn có khả năng sẽ được sản xuất hàng loạt đầu tiên trong lĩnh vực pin tiêu dùng. Sau đó, vào khoảng năm 2027 đến 2028, pin thể rắn dùng cho ô tô sẽ bắt đầu được lắp đặt với số lượng nhỏ. Khi chi phí tiếp tục giảm, pin thể rắn trong lĩnh vực pin điện sẽ dần được sản xuất hàng loạt.
Trước đây, sự chú ý của bên ngoài chủ yếu tập trung vào thị trường ô tô - thị trường lớn nhất, nhưng lại dễ bỏ qua các yếu tố lợi nhuận ở cấp độ doanh nghiệp. Các doanh nghiệp đương nhiên sẽ ưu tiên chọn những phân khúc thị trường có biên lợi nhuận tốt hơn để đẩy mạnh công nghệ mới. Sự nhượng bộ và cân nhắc dựa trên chi phí thực tế này cũng chính là lời giải thích cho việc tại sao trên con đường sản xuất ô tô đầy hứa hẹn này, những "thần tiên" khác nhau cho đến nay vẫn đưa ra những câu trả lời khá lạnh nhạt.
Việc sản xuất hàng loạt pin thể rắn hoàn toàn không phải là một "quả bom hạt nhân" có thể kích hoạt ngay lập tức, mà nó giống như một cuộc chạy marathon cực kỳ khốc liệt và kéo dài. Hiện tại, chuỗi cung ứng pin lỏng đã phát triển đến mức gần như hoàn hảo. Sự xuất hiện của pin thể rắn hoàn toàn tương đương với việc lật đổ toàn bộ chu trình công nghiệp nặng trị giá hàng nghìn tỷ đô la hiện có. Đối mặt với chi phí khởi động và rào cản công nghệ khổng lồ như vậy, không có bất kỳ tập đoàn lớn nào dám mạo hiểm "đốtnhà" để đặt cược vào dây chuyền sản xuất pin thể rắn thuần túy.
Dù là sự trì hoãn bất đắc dĩ của các doanh nghiệp Nhật Bản, hay cuộc cạnh tranh ngầm gay gắt của Trung Quốc và Hàn Quốc, tất cả đều chứng minh một sự thật: quy luật thương mại không bao giờ bị chi phối bởi những mong muốn chính trị hay kỹ thuật mạnh mẽ. Điều thực sự quyết định người chiến thắng cuối cùng không phải là những thông số ảo trên các slide thuyết trình, mà luôn là tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn có thể kiểm chứng được đằng sau mỗi kilowatt điện trên dây chuyền sản xuất. Pin thể rắn hoàn toàn xứng đáng để chờ đợi, nhưng trước khi thực sự vượt qua ranh giới sinh tử về chi phí và công nghệ, giai đoạn đau đớn vì khó sản xuất hàng loạt vẫn là điều không thể tránh khỏi.
Thế nhưng, có một sự thật phũ phàng là dù các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đã đổ hàng trăm tỷ đồng vào cuộc đua được mệnh danh là "chén thánh của ngành pin", thì đến nay, trên thị trường toàn cầu vẫn chưa có bất kỳ nhà sản xuất ô tô nào có thể sản xuất xe điện chạy pin thể rắn quy mô lớn. Vậy tại sao cả ba cường quốc công nghệ này lại gặp khó khăn chung trên con đường này?
Nếu ví hệ thống điện trong xã hội hiện đại như mạch máu của công nghiệp, thì pin chính là trái tim nuôi dưỡng mọi thiết bị thông minh. Pin thể rắn dùng chất điện phân rắn thay thế cho chất lỏng dễ cháy, giúp mật độ năng lượng có thể vượt ngưỡng 480 Wh/kg, đồng thời loại bỏ nguy cơ tự cháy từ gốc rễ. Ai nắm giữ công nghệ này, người đó sẽ nắm quyền định giá trên thị trường hàng nghìn tỷ đô la. Tuy nhiên, hành trình "thay tim" này khó khăn hơn gấp trăm lần so với tưởng tượng của chúng ta. Rất nhiều người thắc mắc, công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển hơn mười năm rồi, vậy rốt cuộc nó đang vướng mắc ở đâu mà vẫn chưa thể ra mắt thị trường?
Nhìn lại chặng đường nghiên cứu kéo dài hơn một thập kỷ này, những tranh cãi về khó khăn trong sản xuất hàng loạt chưa bao giờ chấm dứt. Giới chuyên gia đã chỉ ra nhiều rào cản mà pin thể rắn phải đối mặt.
Ngoài vấn đề về chi phí, thuộc về hệ thống kỹ thuật, thì còn có những thách thức về hệ thống vật liệu. Trong ít nhất mười năm qua, ngành công nghiệp đã khám phá rất nhiều lộ trình kỹ thuật cho hệ thống vật liệu pin thể rắn. Khi nói về pin lithium, chúng ta thường đề cập đến bốn vật liệu chính: cực dương, cực âm, chất điện phân và màng ngăn. Mỗi loại vật liệu này đều có thể thay đổi các đặc tính của pin.
Để đánh giá hiệu suất của pin, chúng ta chủ yếu xem xét ba chỉ số cốt lõi. Đầu tiên là mật độ công suất, thể hiện khả năng sản sinh công suất tức thời trên một đơn vị thể tích, liên quan đến cường độ dòng điện. Dòng điện lớn tương ứng với khả năng sạc và xả nhanh hơn, nhưng mật độ công suất không thể trực tiếp đồng nghĩa với đặc tính tốc độ xả. Thứ hai là mật độ năng lượng mà chúng ta thường biết, mật độ năng lượng càng cao trong một thể tích cố định, thời gian hoạt động càng dài và khả năng lưu trữ điện năng càng mạnh. Thứ ba là tuổi thọ chu kỳ, thể hiện tổng số lần pin có thể sạc và xả lặp lại, liên quan trực tiếp đến tốc độ suy giảm của pin. Mỗi lần cải tiến một trong bốn vật liệu chính đều sẽ mang lại những cải thiện hoặc ảnh hưởng tiêu cực ở mức độ khác nhau đến ba chỉ số hiệu suất này.
Trong ngành pin tồn tại một "tam giác bất khả thi" về hiệu suất, nghĩa là rất khó để tối ưu hóa đồng thời mật độ công suất, mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ. Thiết kế sản phẩm sẽ phải đưa ra sự đánh đổi dựa trên kịch bản sử dụng thực tế. Pin dùng cho xe điện sẽ ưu tiên cân bằng giữa mật độ năng lượng và mật độ công suất. Trong khi đó, pin lưu trữ năng lượng lại chú trọng hơn đến tuổi thọ chu kỳ. Về vật liệu cực dương, phổ biến là hệ thống niken-coban-mangan (NCM) ba thành phần và hệ thống lithium sắt photphat (LFP), sau này còn có các hệ thống dựa trên mangan đang được nghiên cứu liên tục. Các vật liệu cực dương khác nhau tương ứng với các mức điện áp khác nhau, điện áp càng cao, giới hạn mật độ năng lượng lý thuyết càng cao.
Theo hướng cực âm, ngành công nghiệp đang tăng tỷ lệ silicon trong cực âm silicon-carbon và silicon-oxy. Những vật liệu này có thể cải thiện khả năng sạc nhanh. Tuy nhiên, các giải pháp này hiện vẫn chưa được sản xuất hàng loạt. Trong quá trình phát triển pin thể rắn, ngành công nghiệp rất kỳ vọng vào việc hiện thực hóa cực âm kim loại lithium nguyên chất, nhưng việc triển khai công nghệ này vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Sự khác biệt lớn nhất giữa pin thể rắn và pin lỏng nằm ở chất điện phân. Việc nâng cấp vật liệu điện phân có thể vừa tăng mật độ năng lượng vừa cải thiện độ an toàn. Việc lựa chọn màng ngăn sẽ ảnh hưởng đến tốc độ truyền ion. Hệ thống vật liệu của pin thể rắn hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển và cải tiến liên tục.
Chất điện phân thể rắn được chia thành hệ thống oxit, hệ thống sulfua và hệ thống polymer. Hiện nay, nhiều hướng nghiên cứu tập trung vào hệ thống hỗn hợp, kết hợp nhiều loại vật liệu. Ở Trung Quốc, lộ trình sulfua đã đạt được một số đột phá, đây cũng là lý do khiến pin thể rắn trở nên "nóng" hơn trong thời gian gần đây.
Trước đây, ngành công nghiệp thường tin rằng hệ thống oxit có độ ổn định hóa học tốt nhất, nhưng chất điện phân oxit lại cực kỳ khó gia công. Hệ thống vật liệu vẫn chưa hình thành một giải pháp tối ưu ổn định và thống nhất, đây chính là rào cản đầu tiên. Thực tế là, dù các tập đoàn lớn của Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đã giải quyết được các vấn đề về vật liệu nêu trên, họ vẫn phải đối mặt với khó khăn lớn trong việc sản xuất hàng loạt. Sau khi đạt được đột phá về hệ thống vật liệu, thách thức tiếp theo rơi vào nghiên cứu kỹ thuật của các nhà sản xuất pin.
Việc làm thế nào để kết hợp các vật liệu phù hợp nhằm đạt được hiệu suất pin tối ưu là một lĩnh vực khoa học thực nghiệm trong điện hóa học. Các công thức kết hợp khác nhau sẽ tạo ra sự khác biệt lớn về hiệu suất pin cuối cùng. Pin thể rắn hướng tới mật độ năng lượng cao hơn. Nếu được sản xuất hàng loạt trong tương lai, chúng ta có thể sẽ bắt đầu với hệ thống ba thành phần (NMC) vì bản thân hệ thống này có giới hạn mật độ năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tỷ lệ các nguyên tố bên trong vật liệu ba thành phần như thế nào để phù hợp hoàn hảo với chất điện phân thể rắn và phát huy hết hiệu suất cũng là một công việc đòi hỏi thử nghiệm và xác minh liên tục. Rào cản lớn thứ ba chính là quy trình sản xuất và gia công.
Quy trình sản xuất pin lỏng là trộn vật liệu bột thành hỗn hợp sệt, phủ đều lên vật liệu nền, sau đó thực hiện cuộn hoặc xếp lớp. Pin thể rắn sử dụng vật liệu bột rắn, không có dung môi lỏng, nên việc phủ đều trở nên vô cùng khó khăn. Sau khi phủ, cần thực hiện quy trình nén đẳng tĩnh để nén chặt vật liệu dưới áp lực cố định, đảm bảo mật độ vật liệu đạt tiêu chuẩn. Việc phủ không đều hoặc nén không đủ sẽ trực tiếp làm giảm hiệu suất của pin. Mỗi khâu trong quy trình công nghệ, ngay cả khi đã được thử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm, vẫn còn một khoảng cách rất lớn so với yêu cầu về chi phí sản xuất hàng loạt.
Ví dụ, giá chất điện phân sulfua hiện nay nằm trong khoảng vài triệu nhân dân tệ mỗi tấn (tương đương hàng tỷ VNĐ). Để đạt được mức chi phí của pin lithium hiện tại, giá cần giảm xuống còn một phần mười so với hiện tại, tức là khoảng 300.000 đến 500.000 nhân dân tệ mỗi tấn (tương đương khoảng 1 tỷ đến 1,7 tỷ VNĐ) hoặc thấp hơn nữa, mới có cơ sở để thương mại hóa quy mô lớn. Ngoài ra còn có vấn đề về chi phí thiết bị.
Hiện tại, hầu hết pin thể rắn vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm, chưa có dây chuyền sản xuất quy mô gigawatt. Chi phí xây dựng một dây chuyền thử nghiệm đơn lẻ gấp nhiều lần, thậm chí gấp mười lần so với dây chuyền sản xuất pin lithium hiện có. Phía thiết bị cũng có không gian giảm giá khổng lồ. Trong ba đến năm năm tới, mọi khâu trong chuỗi cung ứng pin thể rắn vẫn còn rất nhiều không gian để tối ưu hóa công nghệ và giảm chi phí. Toàn bộ chuỗi cung ứng có độ phức tạp rất cao, giống như nấu ăn, không chỉ cần đột phá về nguyên liệu mà còn cần đồng bộ hóa đổi mới về quy trình chế biến và thiết bị sản xuất. Ngành công nghiệp pin thể rắn hiện đang trong giai đoạn cạnh tranh công nghệ với nhiều thử nghiệm liên tục và tiến bộ từng bước nhỏ.
Nhìn xa hơn, nhiều người từng nghĩ rằng các ông lớn nước ngoài sẽ dễ dàng vượt lên trong cuộc đua pin thể rắn, thậm chí cho rằng Trung Quốc chỉ có thể ở thế bám đuổi. Nhưng thực tế là, tính đến năm 2026, Trung Quốc đã chiếm khoảng 44% bằng sáng chế cốt lõi toàn cầu, vượt qua Nhật Bản với ưu thế áp đảo. Điều này đã đập tan những niềm tin sai lầm về công nghệ trước đây.
Cách đây ba năm, nghiên cứu pin thể rắn ở Trung Quốc về cơ bản vẫn đang trong giai đoạn đuổi theo. Cho đến nay, trên toàn cầu vẫn chưa có sản phẩm pin thể rắn nào được sản xuất hàng loạt thực sự. Nhật Bản và Hàn Quốc đã sớm bắt đầu xây dựng kho dự trữ công nghệ liên quan, và nhiều công ty khởi nghiệp ở Mỹ cũng đã tham gia vào việc nghiên cứu và phát triển pin thể rắn. Gần đây, nhiều doanh nghiệp Trung Quốc liên tục công bố các sản phẩm pin thể rắn liên quan, một số doanh nghiệp thậm chí đã trưng bày các mẫu thử nghiệm.
Hiện tại, Trung Quốc và các đối tác toàn cầu về cơ bản đang ở trạng thái song hành, thậm chí một số khâu kỹ thuật còn dẫn đầu. Mặc dù các doanh nghiệp nước ngoài đã sớm đưa ra khái niệm pin thể rắn, nhưng nhiều nhà sản xuất ô tô lâu đời lại có nền tảng vững chắc từ các lợi thế sẵn có. Toyota là một trong những doanh nghiệp đầu tiên đưa ra kế hoạch sản xuất pin thể rắn hàng loạt, nhưng mảng kinh doanh xe chạy nhiên liệu hóa thạch của họ lại có gốc rễ sâu rộng. Việc chuyển đổi hoàn toàn sang pin thể rắn tương đương với việc tự "cách mạng hóa" hoạt động kinh doanh cốt lõi của chính mình, giống như cách Nokia đối mặt với làn sóng điện thoại thông minh ngày xưa, gặp phải sự cản trở lớn trong quá trình chuyển đổi. Các doanh nghiệp lớn có lợi thế trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, nhưng liệu họ có thể quyết tâm đầu tư toàn diện vào các lộ trình công nghệ mới hay không là điểm mấu chốt cần quan sát sau này.
Trong nội bộ ngành, định nghĩa về sản xuất hàng loạt (mass production) không giống nhau. Sản xuất thử nghiệm số lượng nhỏ, hay còn gọi là SOP (Start of Production) trong ngành, tức là xây dựng dây chuyền thử nghiệm và sản xuất một số lượng nhỏ xe thử nghiệm, cũng có thể được coi là sản xuất hàng loạt. Nhưng nếu là sản xuất hàng loạt quy mô lớn, với tỷ lệ lắp đặt vào xe đạt 5 đến 10% trong vòng một năm, xe điện được trang bị pin thể rắn trên quy mô lớn, thì tiêu chuẩn sẽ hoàn toàn khác.
Khả năng sản xuất hàng loạt nhỏ vào năm 2028 là khá cao. Các doanh nghiệp có thể không tính đến chi phí để xây dựng dây chuyền và hoàn thành các mẫu sản phẩm. Tuy nhiên, để đạt được sản xuất hàng loạt thương mại quy mô lớn, nếu không có những đột phá công nghệ lớn vượt ngoài dự kiến, thì độ khó vẫn rất cao.
Ngay cả khi lộ trình sulfua đang được quan tâm nhất, chúng ta cũng không thể khẳng định nó sẽ là người chiến thắng cuối cùng. Một số công ty pin nước ngoài không chọn lộ trình sulfua, mà thay vào đó sử dụng chất điện phân oxit hoặc halogenua, kết hợp với vật liệu cực âm cải tiến, cũng có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của pin. Hiện tại, không có lộ trình kỹ thuật nào có thể đảm bảo thành công 100%. Chính vì Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đều đang vật lộn trong "vũng lầy" công nghệ này, ngành công nghiệp cũng dần nhận ra rằng, để pin thể rắn thực sự vượt qua nút thắt cổ chai về thương mại hóa, ô tô có lẽ không phải là điểm đến đầu tiên.
Pin thể rắn dùng cho ô tô không nhất thiết là phân khúc đầu tiên được đưa vào sản xuất hàng loạt. Các sản phẩm như thiết bị đeo tay, điện thoại di động, máy bay không người lái nhỏ cũng có nhu cầu cấp thiết về việc tăng thời lượng pin, và môi trường hoạt động của chúng không khắc nghiệt như xe điện. Do đó, những sản phẩm này có khả năng sẽ đạt được sản xuất hàng loạt pin thể rắn trước. Các tập đoàn điện tử tiêu dùng hàng đầu thế giới đang chuẩn bị, và trong một đến hai năm tới, rất có thể sẽ tung ra các sản phẩm điện tử tiêu dùng được trang bị pin thể rắn. Các sản phẩm này có thể không sử dụng chất điện phân thể rắn sulfua, mà thay vào đó là các giải pháp thể rắn phù hợp với ứng dụng pin lithium tiêu dùng.
Giá pin điện đã giảm nhanh chóng trong những năm gần đây. Báo cáo tài chính của các công ty niêm yết cho thấy, ngoại trừ một số công ty hàng đầu, hầu hết các nhà sản xuất pin điện đều có tỷ suất lợi nhuận rất thấp, một số thậm chí còn thua lỗ. Tỷ suất lợi nhuận của pin lithium tiêu dùng cao hơn từ 5 đến 10 điểm phần trăm, hoặc thậm chí cao hơn nữa so với pin điện. Mặc dù quy mô thị trường pin tiêu dùng không lớn bằng pin điện, nhưng khả năng sinh lời lại mạnh hơn. Chi phí pin điện chiếm khoảng một phần ba tổng chi phí xe, tùy thuộc vào cấu hình xe mà có thể dao động. Chi phí pin bên trong điện thoại di động chiếm chưa đến 10% tổng chi phí của cả chiếc điện thoại. Ngay cả khi pin thể rắn làm tăng nhẹ chi phí pin, các nhà sản xuất điện tử tiêu dùng vẫn có khả năng chịu đựng chi phí tốt hơn, và không quá nhạy cảm với việc tăng giá.
Các thiết bị camera, máy bay không người lái nhỏ hiện nay chỉ có thể hoạt động trong khoảng một đến hai giờ. Nếu pin thể rắn có thể kéo dài thời lượng pin lên bốn đến sáu giờ, những sản phẩm này cũng sẽ có khả năng chấp nhận mức tăng chi phí cao hơn. Do đó, có thể nhận định rằng, pin thể rắn có khả năng sẽ được sản xuất hàng loạt đầu tiên trong lĩnh vực pin tiêu dùng. Sau đó, vào khoảng năm 2027 đến 2028, pin thể rắn dùng cho ô tô sẽ bắt đầu được lắp đặt với số lượng nhỏ. Khi chi phí tiếp tục giảm, pin thể rắn trong lĩnh vực pin điện sẽ dần được sản xuất hàng loạt.
Trước đây, sự chú ý của bên ngoài chủ yếu tập trung vào thị trường ô tô - thị trường lớn nhất, nhưng lại dễ bỏ qua các yếu tố lợi nhuận ở cấp độ doanh nghiệp. Các doanh nghiệp đương nhiên sẽ ưu tiên chọn những phân khúc thị trường có biên lợi nhuận tốt hơn để đẩy mạnh công nghệ mới. Sự nhượng bộ và cân nhắc dựa trên chi phí thực tế này cũng chính là lời giải thích cho việc tại sao trên con đường sản xuất ô tô đầy hứa hẹn này, những "thần tiên" khác nhau cho đến nay vẫn đưa ra những câu trả lời khá lạnh nhạt.
Việc sản xuất hàng loạt pin thể rắn hoàn toàn không phải là một "quả bom hạt nhân" có thể kích hoạt ngay lập tức, mà nó giống như một cuộc chạy marathon cực kỳ khốc liệt và kéo dài. Hiện tại, chuỗi cung ứng pin lỏng đã phát triển đến mức gần như hoàn hảo. Sự xuất hiện của pin thể rắn hoàn toàn tương đương với việc lật đổ toàn bộ chu trình công nghiệp nặng trị giá hàng nghìn tỷ đô la hiện có. Đối mặt với chi phí khởi động và rào cản công nghệ khổng lồ như vậy, không có bất kỳ tập đoàn lớn nào dám mạo hiểm "đốtnhà" để đặt cược vào dây chuyền sản xuất pin thể rắn thuần túy.
Dù là sự trì hoãn bất đắc dĩ của các doanh nghiệp Nhật Bản, hay cuộc cạnh tranh ngầm gay gắt của Trung Quốc và Hàn Quốc, tất cả đều chứng minh một sự thật: quy luật thương mại không bao giờ bị chi phối bởi những mong muốn chính trị hay kỹ thuật mạnh mẽ. Điều thực sự quyết định người chiến thắng cuối cùng không phải là những thông số ảo trên các slide thuyết trình, mà luôn là tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn có thể kiểm chứng được đằng sau mỗi kilowatt điện trên dây chuyền sản xuất. Pin thể rắn hoàn toàn xứng đáng để chờ đợi, nhưng trước khi thực sự vượt qua ranh giới sinh tử về chi phí và công nghệ, giai đoạn đau đớn vì khó sản xuất hàng loạt vẫn là điều không thể tránh khỏi.
