Thị trường sản xuất pin lithium-ion đang trải qua một sự chuyển đổi đáng kể.

Thị trường sản xuất pin lithium-ion đang trải qua một sự chuyển đổi đáng kể. 
Các đổi mới công nghệ nhằm nâng cao tính bền vững, mật độ năng lượng và hiệu suất sản xuất đang tạo ra các giải pháp mới.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá bốn đổi mới chính đang cách mạng hóa việc sản xuất pin lithium-ion, những loại pin sẽ cung cấp năng lượng cho các phương tiện điện trong tương lai.

1. Pin được chế tạo từ vật liệu bền vững
Catốt không chứa Niken và Coban
Các nhà sản xuất xe điện như GM và Ford hiện đang xem xét pin niken, mangan, coban (NMC) để có sự cân bằng tốt nhất giữa năng lượng, công suất, tốc độ sạc và số lần sử dụng. Chỉ trong năm ngoái, pin NMC đã chiếm khoảng 60% thị trường xe điện.

Mặc dù đã có những đột phá có thể tăng đáng kể tuổi thọ pin, nhưng catốt trong các loại pin này vẫn phụ thuộc vào niken và coban. Khai thác và sản xuất các vật liệu này tạo ra một lượng lớn ô nhiễm.

Các nhà sản xuất đang tìm kiếm các công nghệ pin thay thế không dựa vào coban và niken. Họ đang ngày càng xem xét pin lithium-iron-phosphate (LFP), cung cấp những lợi thế tương tự như pin NMC. Vật liệu catốt trong các loại pin này bao gồm sắt và phosphate thay vì niken và coban. Các vật liệu này không chỉ rẻ hơn mà còn phổ biến hơn và có nguồn gốc đạo đức hơn. Sắt và phosphate cũng được tìm thấy ở nhiều địa điểm, giảm lượng khí thải carbon từ vận chuyển do khoảng cách ngắn hơn.

Anốt dựa trên Silicon
Silicon là một nguyên tố phong phú khác đang được chú ý hiện nay. Anốt trong pin thường được làm bằng graphite, nhưng silicon đang được phát triển như một giải pháp thay thế cho graphite. Silicon cung cấp mật độ năng lượng cao hơn, giúp giảm số lượng pin cần thiết trong bộ pin.

Mặc dù đã có sự quan tâm đáng kể trong ngành ô tô, thậm chí một số người ủng hộ lớn nhất của ngành cũng nói rằng có thể mất hơn 10 năm để silicon thay thế graphite làm thành phần chính trong anốt. Vẫn còn những vấn đề sản xuất cấp bách - như phồng lên trong quá trình sạc và xả - cần phải được giải quyết.

Pin thể rắn
Pin thể rắn loại bỏ chất điện giải lỏng khỏi pin, thay thế bằng chất điện giải rắn. Điều này làm cho pin an toàn hơn bằng cách giảm nguy cơ cháy và nổ. Điều này làm giảm đáng kể nhu cầu về các thành phần riêng biệt cho mục đích an toàn, tiết kiệm không gian hơn. Pin thể rắn có khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn, có nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một thể tích, giúp khắc phục nỗi lo về phạm vi hoạt động cho người lái xe.

Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức cần giải quyết, chẳng hạn như chi phí sản xuất cao hơn và các vấn đề sản xuất. Các nhà sản xuất vẫn cần tìm vật liệu cho chất điện giải rắn vừa dẫn điện cao vừa ổn định theo thời gian. Các vết nứt hình thành trong chất điện giải rắn trong quá trình sạc và xả cũng cần được giải quyết.

Các nhà sản xuất rõ ràng thấy được lợi ích của pin thể rắn, nhưng việc sử dụng thương mại vẫn còn xa. Toyota báo cáo rằng họ đã có những đột phá đáng kể với công nghệ thể rắn và hy vọng sẽ đưa nó ra thị trường vào năm 2027 hoặc 2028. Giám đốc điều hành của Volvo, Jim Rowan, gần đây cho biết công nghệ này vẫn còn một số năm nữa.

2. Xử lý vật liệu bằng laser
Một trong những thách thức trong sản xuất pin lithium-ion là mở rộng quy mô sản xuất trong khi giảm thiểu dấu chân môi trường. Để đạt được điều này, các nhà sản xuất đã tập trung vào các kỹ thuật sản xuất tiên tiến thân thiện với môi trường hơn.

Một kỹ thuật chính là xử lý vật liệu bằng laser. Hàn bằng laser, làm sạch bằng laser, tạo hoa văn bằng laser và cắt bằng laser đều được sử dụng để sản xuất pin nhằm mở rộng quy mô sản xuất và đáp ứng các mục tiêu xanh.

Ví dụ, hàn bằng laser đã được cải tiến đáng kể trong những năm gần đây, biến nó thành một giải pháp khả thi để kết nối các tế bào và thanh dẫn. Là một quá trình không tiếp xúc, có thể lặp lại cao, hàn bằng laser có thể xử lý các bộ pin có hàng nghìn kết nối. Kim loại được nối bằng hàn bằng laser có độ dẫn điện tuyệt vời, điện trở tối thiểu và quản lý nhiệt được cải thiện.

Điều này làm cho nó trở thành một giải pháp tuyệt vời cho sản xuất hàng loạt pin. Trên thực tế, không có công nghệ nào khác có thể cung cấp độ chính xác, tốc độ và dấu chân môi trường thấp như laser.

3. Pin mật độ năng lượng cao
Không gian sử dụng và trọng lượng là những yếu tố quan trọng trong bộ pin. Tối ưu hóa chúng giúp giảm số lượng tế bào cần thiết và cải thiện mật độ năng lượng. Điều này, đến lượt nó, giúp hạn chế kích thước của pin. Những đổi mới công nghệ này là cần thiết để tăng phạm vi hoạt động của xe điện.

Trong 20 năm qua, các nhà sản xuất đã tăng gấp đôi mật độ năng lượng của các tế bào hình trụ, từ 2Ah lên gần 4Ah. Các nhà nghiên cứu gần đây đã đạt được những bước tiến đáng kể trong lĩnh vực này, phát triển một loại pin lithium dạng túi có thể sạc lại với mật độ năng lượng vượt quá 700 Wh/kg - một kỷ lục.

Dưới đây là một số chiến lược giúp tạo ra mật độ năng lượng tốt hơn.

Pin cấu trúc
Pin cấu trúc thực hiện được một số mục tiêu cùng một lúc trong các phương tiện điện bằng cách kết hợp lưu trữ năng lượng và hỗ trợ cấu trúc, đồng thời loại bỏ nhu cầu về các yếu tố cấu trúc dư thừa. Loại pin này trở thành một phần không thể thiếu của cấu trúc của phương tiện, cung cấp mật độ năng lượng và độ bền được cải thiện.

Được biết đến là pin không khối lượng, chúng được lắp ráp bằng cách sử dụng kết dính dính thay vì vít hoặc các ốc vít khác. Mặc dù điều này đòi hỏi chuẩn bị bề mặt bổ sung (như tạo hoa văn bằng laser), pin cấu trúc có khả năng giảm trọng lượng tới 10% hoặc hơn. Bộ pin của Tesla Model Y sử dụng một thành phần pin cấu trúc, nhưng không phải ai cũng bán được ý tưởng này. Nếu các loại pin như vậy bị hư hỏng trong một vụ tai nạn, việc sửa chữa chúng có thể cực kỳ khó khăn.

Pin lưỡi dao
Pin lưỡi dao có hình dạng tương tự như tế bào hình lăng trụ, nhưng yêu cầu ít kết nối hơn, làm cho quá trình sản xuất đơn giản hơn nhiều. Thiết kế giống như một lưỡi dao với cực dương và cực âm ở mỗi đầu. Các tế bào riêng lẻ được cấu hình trong một mảng bên trong bộ pin, cải thiện việc sử dụng không gian tới một nửa, giúp tăng đáng kể mật độ năng lượng.

Sử dụng LFP làm vật liệu catốt, pin lưỡi dao cung cấp độ ổn định mạnh mẽ ngay cả ở nhiệt độ cực cao, làm cho chúng an toàn hơn pin lithium-ion thông thường.

Giống như pin cấu trúc, pin lưỡi dao đóng vai trò kép như một đơn vị lưu trữ năng lượng và một thành phần cấu trúc của xe điện, cũng được lắp ráp bằng cách sử dụng kết dính dính thay vì vít hoặc các ốc vít khác. Tesla, Ford, Toyota và Kia đã giới thiệu công nghệ pin lưỡi dao trên một số phương tiện, đáng chú ý nhất là những chiếc được sản xuất tại Trung Quốc.

4. Sạc nhanh
Nếu các nhà sản xuất xe điện muốn đẩy nhanh việc áp dụng xe điện, phải vượt qua ba thách thức lớn: giá cả thấp hơn, phạm vi hoạt động dài hơn và cơ sở hạ tầng sạc nhanh hơn và sẵn có hơn.

Giá cả đang giảm xuống. Phạm vi hoạt động đang tăng lên. Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng sạc vẫn cần được xây dựng nhanh chóng để đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải nghiêm ngặt trên toàn thế giới.

Ngay cả khi vậy, người lái xe điện cũng không muốn phải chờ hàng giờ để sạc đầy lại phương tiện của mình. Thiết kế pin phải thích ứng để tương thích với các trạm sạc nhanh và phải có đầu nối phù hợp.

Hiện tại, có nhiều tiêu chuẩn sạc nhanh. Đây là một vấn đề vì các tiêu chuẩn không tương thích với nhau. Mặc dù có một số bộ chuyển đổi có sẵn, nhưng chúng cồng kềnh và không đáng tin cậy lắm.

Gần đây, Tesla đã phát hành một tiêu chuẩn mới: Tiêu chuẩn sạc Bắc Mỹ (NACS). Nó đang được nhanh chóng áp dụng bởi các nhà sản xuất khác. Ford, GM và nhiều công ty khác đã hợp tác với Telsa để cấp phép cổng NACS cho các phương tiện của họ bắt đầu từ năm 2025.

Sạc nhanh sẽ không diễn ra tại nhà, nơi các đầu nối sạc nhanh sẽ không có sẵn do các vấn đề tương thích với lưới điện địa phương.