Nghiên cứu công nghệ pin ô-tô điện: Cơ hội cho Việt Nam

Xu thế chuyển dịch sang các phương tiện chuyên chở bằng điện thay vì dùng nhiên liệu hóa thạch đang đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu ra thế hệ pin mới đáp ứng được yêu cầu về sự an toàn, hiệu quả và chi phí tối ưu mà thị trường đặt ra.

Với điều kiện tự nhiên giàu có về khoáng sản, đầu tư vào phương pháp điều chế các vật liệu pin là hướng đi có thể mở ra cơ hội cho Việt Nam trở thành nước cung cấp vật liệu pin thô cho các hãng sản xuất xe hơi trên thế giới.

Trở ngại lớn nhất cho việc thương mại hóa xe điện

Để thực thi Thỏa thuận Paris về Biến đổi khí hậu Toàn cầu đã được 195 nước thành viên Liên Hợp Quốc thông qua vào năm 2015, hướng tới giảm thiểu khí thải nhà kính, hạn chế sự nóng lên của Trái đất, chính phủ các nước bắt đầu thực thi các chính sách cắt giảm xe ô-tô chạy xăng, thay thế bằng xe chạy điện không có khí thải.

Đầu năm 2017, Quốc hội Na Uy đặt mục tiêu, tới năm 2025, tất cả những chiếc xe mới được bán ra tại Na Uy sẽ không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Bộ trưởng Môi trường Pháp đương nhiệm, Nicolas Hulot, cho biết, nước này sẽ chính thức cấm toàn bộ xe chạy xăng và diesel vào năm 2040.

Đây là một phần trong kế hoạch của Tổng thống Pháp Emmanuel Macron nhằm thực thi Thỏa thuận Paris, với mục tiêu đưa mức khí thải carbon ở Pháp về 0 vào năm 2050.

Như vậy, xu thế chuyển dịch sang các phương tiện chuyên chở bằng điện thay vì dùng nhiên liệu hóa thạch, là tất yếu.

Một trong những cấu phần quan trọng nhất của ô-tô điện là bộ pin trữ năng lượng, thường có khối lượng rất lớn và giá thành cực cao. Đây là trở ngại lớn nhất cho việc thương mại hóa xe điện. Ví dụ, Tesla Motors SUV chạy điện Model S có thể đi được 413km cho một lần sạc, nhưng bộ pin 85kWh của xe có chi phí 17.000 USD, chiếm gần một nửa giá trị của chiếc ô-tô.

Hiện nay, toàn bộ các xe điện đều sử dụng công nghệ pin Lithium với vật liệu Lithium kim loại Oxit Mn, Co và Ni là cực dương, và Lithium Titan Oxit là cực âm. Loại pin này thường được sử dụng trong laptop và các thiết bị điện tử tiêu dùng.

Các điện cực được dát mỏng, lắp ráp thành tấm. Vì mỗi pin chỉ có hiệu điện thế 4.0 V, nên người ta phải lắp nối tiếp nhau hàng ngàn tấm pin nhỏ để tăng hiệu điện thế của toàn bộ pin, đảm bảo đủ khả năng vận hành ô-tô trên quãng đường dài hàng trăm ki-lô-mét khi pin xả.

Tuy nhiên khả năng trữ năng lượng của các loại pin này đã đạt mức tới hạn, 150 Wh/kg. Nếu muốn tăng dung lượng, khối lượng của pin trở sẽ nên lớn, dẫn tới chi phí cao và khả năng vận hành kém.

Nhìn chung, kỹ thuật pin hiện nay chưa thể đáp ứng được yêu cầu về quãng đường và tối ưu chi phí mà thị trường đặt ra cho xe điện. Trong khi đó, các loại pin lỏng đang được sử dụng có nguy cơ cháy nổ rất cao, bắt nguồn từ nguyên nhân dung dịch điện ly hữu cơ dễ bắt cháy. Điều này làm nảy sinh nhu cầu bức thiết phải phát triển một thế hệ pin mới.

Những hướng nghiên cứu khả quan

Để ô-tô điện có thể thương mại hóa thành công và trở nên hấp dẫn hơn với người tiêu dùng, bộ pin cần phải tăng năng lượng, chạy được quãng đường dài hơn trong một lần sạc, với hạ giá thành và điều quan trọng nhất là phải an toàn. Trước mắt, các công ty ô-tô Nhật Bản như Toyota đặt cược vào sự thành công của công nghệ pin rắn được tin là an toàn hơn.

Công nghệ pin rắn sử dụng chất điện ly rắn thay thế cho chất điện ly lỏng. Các chất điện ly rắn đang sử dụng hiện nay bao gồm Li-SICON Li14ZnGe4O16 và GARNET Li7La3Zr2O12. Nghiên cứu tìm ra các chất điện ly rắn có độ dẫn ion lớn sẽ giúp bộ pin có khả năng sạc xả nhanh hơn. Do đó, đây là một hướng nghiên cứu đang rất thu hút các nhà khoa học.

Bên cạnh đó, nhìn về tương lai xa, các nhà khoa học thấy rằng cần phải tìm ra các thế hệ pin mới thay thế loại pin Lithium đắt đỏ hiện nay. Các tổ chức quản lý khoa học công nghệ trên thế giới bao gồm Bộ Năng lượng Mỹ (Department of Energy) hay Cơ quan Quản lý Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (Japan Science and Technology Agency) từ lâu đã ưu tiên phát triển công nghệ pin mới cho ô-tô điện.

Các dự án tiêu biểu như Nghiên cứu vật liệu pin của Mỹ (The new Battery Materials Research Program); dự án đẩy mạnh nghiên cứu thế hệ pin mới của Nhật (SPRING - Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries), đã được tài trợ hàng trăm triệu USD cho hàng loạt các nghiên cứu nhằm cho ra đời loại pin thế hệ mới có thể đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của ô-tô điện trong tương lai.

Theo hướng đó, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các thế hệ pin kim loại đa hóa trị như Mg, Ca, Al. Ví dụ, pin Magiê có lượng trữ năng lượng gấp 2 lần pin Lithium (cho cùng một khối lượng) trong khi thể tích chỉ bằng một nửa, và giá thành giảm 20 lần.

Hiện nay, các nhà khoa học đang phát triển gần hoàn thiện các vật liệu có khả năng trữ năng lượng lớn, hứa hẹn có khả năng chịu được nhiều lần sạc xả với tuổi thọ pin cao như spinel oxit và spinel sulfua (MgMn2O4 và MgMn2S4). Đồng thời, các kỹ thuật ngoại biên cho pin Magiê như chất điện ly, kỹ thuật thu dẫn điện cũng đang được nghiên cứu.

Việt Nam có thể bắt đầu từ đâu?

Việt Nam đã tham gia ký và thông qua Thỏa thuận Paris. Mới đây, thành phố Hà Nội cũng đặt mục tiêu cấm xe máy vào năm 2030, nhằm hạn chế tình trạng tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm không khí. Vì thế, dù muốn hay không, Việt Nam vẫn cần bắt kịp xu thế sử dụng xe chạy điện, không chỉ trong tiêu dùng sản phẩm mà còn trong cả lĩnh vực sản xuất.

Để xây dựng ngành công nghiệp ô-tô, đây là thời điểm rất thuận lợi, khi nhà sản xuất có thể bắt đầu ngay với xe điện vốn không đòi hỏi các công nghệ đi kèm phức tạp như xe chạy xăng. Thực tế Campuchia đã đi trước chúng ta khi cho ra đời xe điện Angkor EV 2014.

Thái Lan đã bắt đầu khởi động kế hoạch phát triển xe chạy điện, với tham vọng trở thành một trung tâm sản xuất xe điện trong khu vực. Đầu năm 2016, Thủ tướng Thái Lan Prayuth Chan-ocha đã gặp gỡ với hàng loạt giám đốc điều hành cấp cao của các công ty ô-tô Nhật Bản, bao gồm Toyota, Isuzu, Nissan và Honda, để thỏa thuận kế hoạch mở rộng đầu tư sản xuất xe xanh như các loại xe chạy điện, xe lai hybrid, và xe sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường tại quốc gia này.

Về cơ bản, việc nghiên cứu phát triển công nghệ pin gồm 2 bước: đầu tiên là tìm ra và điều chế các vật liệu có khả năng trữ năng lượng cao và độ dẫn ion lớn, sau đó tiến hành lắp ráp các thành phần pin bao gồm điện cực âm, chất điện ly, điện cực dương, tấm gom điện tử tạo thành một sản phẩm pin hoàn chỉnh.

Với các nhà khoa học, đầu tư vào nghiên cứu phương pháp điều chế các vật liệu pin trong bước đầu tiên nói trên có thể là hướng đi phù hợp. Ví dụ, Đài Loan đã đầu tư rất sâu vào nghiên cứu phương pháp sản xuất vật liệu, trở thành nước cung cấp vật liệu pin thô như LiMn2O4, NMC, LiFePO4 cho các công ty Panasonic và Tesla.

Với điều kiện tự nhiên giàu có về khoáng sản, nếu biết khai thác đúng hướng, Việt Nam hoàn toàn có khả năng trở thành nước cung cấp vật liệu thô cho ngành công nghiệp pin đồng thời phát triển ngành công nghiệp ô-tô nước nhà.

Muốn được như vậy, rất cần sự quan tâm của các nhà làm chính sách và lãnh đạo các cơ quan nghiên cứu. Ở những bước đi đầu tiên, Bộ Khoa học và Công nghệ nên triển khai sớm các chính sách ưu tiên cho các nghiên cứu về năng lượng mới và công nghệ ô-tô điện.

Nếu làm tốt nghiên cứu và thương mại hóa thành công vật liệu pin, nước ta hoàn toàn có thể tham gia vào chuỗi giá trị toàn cầu, tạo ra bước nhảy vọt về công nghệ, thu được giá trị gia tăng cao và thúc đẩy ngành sản xuất ô-tô điện trong nước theo kịp các nước phát triển trong tương lai không xa.

TS Trương Quang Đức (Đại học Tohoku, Nhật Bản)