Start-up Nhật Bản sẽ giới thiệu thế hệ pin mới vượt trội so với pin Lithium-ion

Thế hệ pin mới có thể tích trữ năng lượng gấp 10 lần so với những "bậc tiền bối" vốn đã vô cùng mạnh mẽ.

Những viên pin Lithium-ion như thế này đã đưa chúng ta đi một chặng đường dài kể từ khi được phát minh vào năm 1980. Ảnh: Reuters.

Từ smartphone cho đến máy bay không người lái, ô tô điện, nguồn năng lượng chính hiện tại của những sản phẩm này đều là pin Lithium-ion. Nhưng nhiều công ty start-up ở Nhật Bản đang không ngừng nghiên cứu để cho ra các bộ cung cấp điện với hiệu suất cao, có thể trở thành tiêu chuẩn của thế hệ pin tương lai.

3Dom, một công ty start-up khởi nghiệp xuất hiện từ năm 2014 tại Đại học Tokyo Metropolitan, đang được các nhà sản xuất xe hơi và máy bay không người lái của Mỹ và châu Âu săn đón để có thể thử mẫu pin mới cũng như hình thành mối quan hệ hợp tác với 3Dom.

Lúc mới khởi nghiệp, đó chỉ là dự án của một cá nhân, Kiyoshi Kanamura, giáo sư tại trường đại học, từng là kỹ sư duy nhất của 3Dom. Kể từ đó đến nay, các kỹ sư từ các công ty thiết bị lớn, như Panasonic và các nhà sản xuất ô tô đã tụ họp lại dưới trướng của ông, bị quyến rũ bởi những hoạt động cải tiến mới. Hiện tại, công ty có khoảng 70 kỹ sư, một nửa trong số họ đã làm việc tại 3Dom trong khoảng một năm qua.

Pin sạc là một thế mạnh từ lâu nay của các công ty Nhật Bản, nhưng ngành công nghiệp sản xuất của họ đang vấp phải sự cạnh tranh quyết liệt đến từ các đối thủ Trung Quốc và Hàn Quốc trong những năm gần đây. Giờ đây, Nhật Bản hy vọng sẽ vẫn duy trì vị thế là một trong những đối thủ nặng ký toàn cầu ở một thị trường dự kiến ​​trị giá hơn 2.7 nghìn tỷ yên (25 tỷ USD) vào năm 2035 dựa trên sức mạnh đến từ các kỹ sư của họ.

Cánh đồng muối lớn nhất thế giới Salar de Uyuni, ở phía tây nam Bolivia, nơi lưu giữ một nửa trữ lượng Li- ti của thế giới được dùng làm pin Lithium. Ảnh: AP

3Dom đặt mục tiêu thương mại hóa pin Lithium-metal vào năm 2022. Công ty start-up này khẳng định mẫu pin của họ có thể tạo ra năng lượng gấp đôi so với nguồn năng lượng của pin Li-ion ở cùng trọng lượng và hiệu suất đã được chứng minh. Hơn nữa, theo 3Dom, sản phẩm của họ có thể gia tăng quãng đường đi được cho một chiếc xe điện với mỗi lần sạc. Nhà sản xuất này hy vọng một ngày nào đó mẫu pin của họ sẽ có thể cung cấp đủ năng lượng cho những chiếc ô tô bay.

Trong khi vật liệu carbon hiện vẫn được sử dụng cho các điện cực âm của hầu hết các pin Lithium-ion, thì 3Dom lại sử dụng Lithium-metal, thành phần có ưu điểm là dễ dàng tăng dung lượng tích trữ điện của pin nhưng có hạn chế là dễ bị đoản mạch và cháy nổ.

Hiện tượng cháy nổ xảy ra khi các bán dẫn dạng nhánh hình thành trên bề mặt của điện cực âm do phản ứng hóa học không đồng đều. Công ty đã phát triển một dải phân cách có thể kiểm soát hiện tượng này, được gọi là sợi dendrite. Dải ngăn cách có các lỗ hình cầu với kích cỡ đường kính vài trăm nanomet được sắp xếp; thứ tự hoàn hảo. Kích thước đồng đều và vị trí theo trật tự của các lỗ cho phép các dòng chảy ion được đồng đều và phản ứng hóa học đồng nhất.

Dải phân cách được chế tạo từ polyimide, một loại nhựa chịu nhiệt cao, không bị thiêu cháy dù ở 400 độ C. 3Dom hiện đang sản xuất pin Lithium-ion ở vùng ngoại ô thành phố Seattle và dự định sẽ xây dựng thêm một nhà máy khác ở Mỹ, có thể là vào năm tới, nhằm chuẩn bị cho tiến trình sản xuất pin thế hệ tiếp theo của họ.

Với việc xe ô tô điện và máy bay không người lái sẽ dần được sử dụng phổ biến hơn, kéo theo đó là sự phình to của thị trường pin Lithium-ion, các nhà sản xuất đang nỗ lực phát triển các công nghệ thế hệ tiếp theo cho phép sản xuất ra những viên pin với công suất lớn hơn, an toàn và hoạt động lâu hơn.

Nhà nghiên cứu Fuji Keizai dự kiến ​​thị trường toàn cầu của thế hệ pin tiếp theo trị giá 4,2 tỷ yên (gần 40 triệu USD) trong năm nay nhưng sẽ lên tới 2.7 nghìn tỷ yên (25 tỷ USD) vào năm 2035.

Công ty Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL) của Trung Quốc đang là nhà sản xuất pin ô tô lớn nhất thế giới. Panasonic đứng ở vị trí số 2 và LG Chem của Hàn Quốc, đơn vị cung cấp chính cho các nhà sản xuất ô tô châu Âu ở số 3. Cả ba đều đang nỗ lực để phát triển các nguồn năng lượng thế hệ kế cận.

Gói năng lượng hứa hẹn nhất trong tương lai gần có thể sẽ là pin thể rắn hoàn toàn (all-solid-state battery), được chế tạo nhỏ gọn hơn loại pin hiện tại và có thể sạc nhanh chóng. Toyota Motor và Panasonic, công ty vận hành các cơ sở sản xuất pin với Tesla, đang phát triển công nghệ này.

Công nghệ Shuttle Battery của công ty Connexx Systems tạo ra điện bằng cách pha trộn oxy với hydro được tạo ra khi sắt phản ứng hóa học với nước.

Trong khi đó, Azul Energy, một công ty start-up ở Sendai, Nhật Bản, không chỉ tập trung vào một viên pin hoàn chỉnh mà còn là các vật liệu quyết định hiệu suất.

"Không thú vị sao khi chúng ta sử dụng chất màu này để làm chất xúc tác?", Hiroshi Yabu, phó giáo sư tại Đại học Tohoku, chuyên về khoa học vật liệu, đã được truyền cảm hứng đến từ một ý kiến sinh viên của mình vài năm trước. Dù "hầu như khó có trường hợp nào có thể sử dụng chất màu làm chất xúc tác cho pin", Yabu vẫn tin về khả năng thành công của nghiên cứu.

Ông tập trung vào pin metal-air, sử dụng oxy trong không khí làm vật liệu phản ứng cho điện cực dương và kim loại làm vật liệu phản ứng cho điện cực âm. Pin metal-air có thể nạp và xả điện gấp 3 đến 10 lần so với pin Lithium-ion, chúng được xem là loại "pin tối thượng".

Tuy nhiên, pin metal-air chỉ có thể tạo ra một lượng nhỏ dòng điện, khiến chúng không phù hợp để sử dụng cho xe ô tô điện dẫu cho sở hữu đặc tính xả-sạc cực kỳ tuyệt vời. Hiện tại, máy trợ thính chiếm 90% trong số các ứng dụng của loại pin này.

Khi Yabu sử dụng chất màu làm chất xúc tác cho điện cực thay cho kim loại mangan thông thường, lượng dòng điện có thể đạt được tại một thời điểm sẽ tăng từ 20% đến 30%. Ông đang đặt mục tiêu tăng thêm công suất để pin có thể sử dụng cho máy bay không người lái. Azul đã lên kế hoạch sử dụng chất xúc tác để cùng phát triển sản phẩm metal-air với một nhà sản xuất pin. Koju Ito, một kỹ sư từ Fujifilm, đã được Azul mời về làm việc với tư cách là chủ tịch và là thành viên sáng lập. Ito đã do dự khi được mời nhưng cuối cùng quyết định chấp nhận lời đề nghị vì "muốn mạo hiểm với một lĩnh vực mới khó giải quyết tại một công ty lớn".

AC Biode, một start-up ở Kyoto, đã phát triển một loại pin sạc và xả trong dòng điện xoay chiều thay vì dòng điện một chiều. Được gọi là pin AC, lượng điện tích trữ của nó cao hơn 30% so với pin Lithium-ion có kích thước tương tự cho mỗi lần sạc, theo AC Biode. Năm 2019, AC Biode đã nhận được một khoản đầu tư từ InnoEnergy, một công ty đầu tư của Hà Lan được thành lập bởi một tổ chức của Liên minh châu Âu, nơi cung cấp hỗ trợ tài chính cho các dự án nghiên cứu năng lượng đổi mới.

Các công ty Nhật Bản từng kiểm soát thị trường pin Lithium-ion nhưng trong những năm gần đây đã bị lấn át bởi các đối thủ đến từ Trung Quốc và Hàn Quốc. Tuy nhiên, đất nước này vẫn duy trì lợi thế đối với các thành phần và vật liệu chính. Công ty Asahi Kasei và Toray Industries có thị phần kết hợp khoảng 30% cho các thành phần giới hạn phân cách. Đối với vật liệu điện cực dương, Sumitomo Metal Mining vẫn giữ được uy thế của mình.

Mặc dù các công ty khởi nghiệp có những cơ hội, nhưng sẽ không dễ để họ xâm nhập vào thị trường pin ô tô, bởi đó vốn là mối quan hệ khăng khít giữa các nhà sản xuất pin và nhà sản xuất ô tô lớn. "Để tồn tại trong cuộc cạnh tranh, họ sẽ cần phải nhanh chóng mở rộng sản xuất với sự hợp tác của các nhà sản xuất pin tầm cỡ và khách hàng", Tang Jin, một cán bộ nghiên cứu cao cấp của Ngân hàng Mizuho, ​​người luôn theo dõi thị trường cung ứng pin cho biết.

Giang Vu theo Nikkei