Trung Quốc bắt đầu sản xuất pin thể rắn hoàn toàn cho xe điện, hướng tới tăng gấp đôi quãng đường di chuyển

Vì sao dây chuyền sản xuất này quan trọng vào lúc này

Trung Quốc vừa có bước tiến quyết định trong cuộc đua chuyển đổi xe điện. Tập đoàn Ô tô Quảng Châu (GAC) đã hoàn thành dây chuyền sản xuất pin thể rắn hoàn toàn cỡ lớn, đạt chuẩn dùng cho xe. Cơ sở này đã sản xuất theo lô nhỏ các cell dung lượng 60 ampe giờ (Ah) để thử nghiệm, vượt qua ngưỡng mà phần lớn phòng thí nghiệm và dự án thí điểm chưa đạt được. Công suất này có ý nghĩa vì phù hợp với nhu cầu của ô tô điện phổ thông, đưa công nghệ ra khỏi phòng thí nghiệm và vào môi trường công nghiệp. Diễn biến này đánh dấu giai đoạn mới của loại pin hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn, sạc nhanh hơn và an toàn hơn.

Dây chuyền của GAC nhắm tới các cell trên 60 Ah và có công suất điện cực trên một đơn vị diện tích lên tới 7,7 miliampe giờ trên mỗi centimet vuông (mAh/cm2). Nhiều dây chuyền dùng chất điện phân lỏng thông thường hoạt động ở mức gần 5 mAh/cm2. Công suất trên diện tích cao hơn cho phép điện cực dày hơn, lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong cùng một không gian. GAC cho biết mật độ năng lượng gần gấp đôi pin lithium-ion hiện nay, một bước chuyển có thể giúp xe điện vốn đi được khoảng 500 km tăng quãng đường lên hơn 1.000 km sau mỗi lần sạc đầy. Công ty dự kiến lắp loại pin này vào xe thử nghiệm trong năm 2026 và hướng tới sản xuất hàng loạt trong giai đoạn 2027-2030, tùy kết quả kiểm định và chi phí.

Trung Quốc hiện dẫn đầu nguồn cung pin xe điện thông thường trên toàn cầu thông qua các công ty như CATL và BYD. Với dây chuyền này, GAC đưa Trung Quốc vào vị thế tiên phong trong một công nghệ mà nhiều hãng ô tô đã theo đuổi suốt một thập kỷ. Nước này cũng đã thành lập một nền tảng hợp tác quy tụ các nhà sản xuất pin và ô tô nhằm thúc đẩy thương mại hóa thiết kế pin thể rắn hoàn toàn. Nếu Trung Quốc có thể mở rộng quy mô công nghệ với chi phí cạnh tranh và hiệu năng đáng tin cậy, thế hệ xe điện tiếp theo có thể đi xa hơn sau mỗi lần sạc, sạc nhanh hơn và đạt biên độ an toàn cao hơn.

Pin thể rắn hoàn toàn là gì

Pin thể rắn hoàn toàn thay chất điện phân lỏng trong các cell lithium-ion thông thường bằng vật liệu rắn. Chất điện phân là môi trường vận chuyển ion giữa điện cực dương và điện cực âm trong quá trình sạc và xả. Chất điện phân lỏng có hiệu quả cao nhưng dễ cháy, đồng thời hạn chế khả năng nén chặt các thành phần lưu trữ năng lượng. Chất điện phân rắn cho phép xếp chồng vật liệu dày đặc hơn và có thể cải thiện độ ổn định nhiệt. Việc chuyển sang chất điện phân rắn giúp tăng năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích và khối lượng, đồng thời có thể giảm nguy cơ cháy nếu cell bị hư hại.

Mật độ năng lượng và quãng đường di chuyển

Mật độ năng lượng, tức lượng năng lượng mà pin lưu trữ so với kích thước hoặc khối lượng, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp nhất đến quãng đường xe đi được. GAC cho biết mật độ năng lượng gần gấp đôi cell thông thường. Nếu một xe điện hiện nay đi được khoảng 311 dặm với bộ pin có kích thước nhất định, bộ pin cùng kích thước dùng các cell thể rắn này có thể đạt khoảng 621 dặm. Tại Trung Quốc, quãng đường thường được công bố theo chu trình thử nghiệm CLTC, vốn có xu hướng cho kết quả cao hơn chu trình EPA sử dụng ở Mỹ. Mức 1.000 km theo CLTC có thể tương đương khoảng 650-750 km (xấp xỉ 400-465 dặm) trong điều kiện sử dụng thực tế hoặc theo chuẩn tương đương EPA, vẫn là một bước tiến lớn.

An toàn và khả năng chịu nhiệt

Chất điện phân rắn ít có nguy cơ rò rỉ và bắt lửa hơn chất điện phân lỏng, đồng thời chịu được nhiệt độ cao hơn. GAC cho biết pin ổn định trong khoảng 300-400 độ C, so với khoảng 200 độ ở nhiều cell lithium-ion thông thường. Khả năng chịu nhiệt cao hơn có thể cải thiện sức chống chịu khi bị tác động và việc quản lý nhiệt trong quá trình sạc nhanh hoặc chịu tải nặng. Công nghệ này cũng hướng tới hạn chế sự hình thành các cấu trúc lithium dạng kim, gọi là dendrite, có thể làm hỏng cell. Với vật liệu và quy trình sản xuất phù hợp, thiết kế thể rắn có thể đồng thời nâng cao hiệu năng và biên độ an toàn.

Bên trong dây chuyền mới của GAC

Dây chuyền của GAC tập trung vào các cell cỡ lớn 60 Ah, loại phù hợp nhất với xe điện cỡ lớn. Công ty nhấn mạnh quy trình sản xuất cực dương khô, kết hợp nhiều công đoạn thành một quy trình liên tục. Cách sản xuất điện cực âm truyền thống trộn vật liệu hoạt tính thành dạng bùn, phủ lên lá kim loại rồi cán điện cực đến độ dày phù hợp; giữa các công đoạn còn có bước sấy và thu hồi dung môi. GAC cho biết việc tích hợp khâu chuẩn bị hỗn hợp, phủ và cán thành một bước giúp giảm thời gian và mức tiêu thụ năng lượng. Loại bỏ công đoạn sấy dung môi cũng có thể giảm phát thải và chi phí khi sản xuất ở quy mô lớn.

Công suất điện cực trên diện tích được công bố là 7,7 mAh/cm2, một thông số đáng chú ý vì cho thấy điện cực có thể được chế tạo dày hơn mà không bị lỗi. Khi điện cực dày lên, ion có thể khó di chuyển qua vật liệu hơn. Các nhà sản xuất phải cân bằng độ dày với độ dẫn điện, độ bền cơ học và tính đồng đều. Đạt công suất cao trên diện tích là dấu hiệu quan trọng cho thấy quy trình sản xuất có thể hỗ trợ mật độ năng lượng cao mà vẫn đáp ứng mục tiêu về tuổi thọ chu kỳ.

Vì sao công suất trên diện tích quan trọng

Công suất trên diện tích là lượng điện tích mà một diện tích điện cực nhất định có thể lưu trữ, qua đó ảnh hưởng đến lượng năng lượng có thể chứa trong cell mà không cần tăng kích thước vật lý. Chỉ số cao hơn cho phép dùng ít cell hơn trong mỗi bộ pin để đạt mức năng lượng mục tiêu. Điều này có thể đơn giản hóa thiết kế bộ pin, giảm dây dẫn và đầu nối, đồng thời hạ chi phí trên mỗi kilowatt giờ. Với các hãng ô tô, số linh kiện ít hơn cũng có thể giảm khối lượng và tăng độ tin cậy do có ít vị trí có thể xảy ra hỏng hóc hơn.

Khi nào người lái xe sẽ thấy loại pin này trên ô tô

GAC dự kiến lắp cell vào xe thử nghiệm trong năm 2026 để kiểm chứng hiệu năng, độ bền và độ an toàn trong điều kiện lái xe thực tế. Nếu kết quả phù hợp với kỳ vọng từ phòng thí nghiệm, công ty dự kiến tăng dần sản lượng để tiến tới sản xuất hàng loạt trong giai đoạn 2027-2030. Ban đầu, pin nhiều khả năng được trang bị cho các mẫu xe giá cao hơn hoặc các phiên bản sản xuất giới hạn, sau đó mở rộng sang nhiều dòng xe hơn khi chi phí giảm và nguồn cung tăng. Lộ trình này tương tự cách các cải tiến pin khác từng được đưa ra thị trường.

Tuyên bố về quãng đường vượt 1.000 km sẽ thu hút sự chú ý. Người lái xe cần lưu ý sự khác biệt giữa các chu trình thử nghiệm. Thay đổi thiết thực mới là điểm cốt lõi. Mật độ năng lượng tăng gấp đôi giúp các hãng ô tô lựa chọn giữa quãng đường xa hơn với bộ pin cùng kích thước, hoặc quãng đường tương đương với bộ pin nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn. Cả hai hướng đều có thể cải thiện tổng chi phí và sự tiện lợi khi sử dụng xe điện.

Nỗ lực công nghiệp hóa công nghệ thể rắn của Trung Quốc

Giới chức Trung Quốc đã phát tín hiệu ủng hộ việc phát triển nhanh pin thể rắn hoàn toàn. Một nền tảng đổi mới hợp tác cấp quốc gia đã được thành lập để phối hợp giữa các nhà cung cấp vật liệu, nhà sản xuất pin và hãng ô tô về lộ trình công nghệ, tiêu chuẩn an toàn và thiết bị sản xuất. Các nhà phân tích tại Trung Quốc nhận định thị trường thiết bị sản xuất cell thể rắn đang mở rộng nhanh chóng; doanh số thiết bị được dự báo đạt khoảng 2,5 tỷ nhân dân tệ vào năm 2027 và tăng lên hơn 27 tỷ nhân dân tệ vào năm 2030 nếu quá trình thương mại hóa diễn ra như kế hoạch. Sự hậu thuẫn chính sách, nghiên cứu phối hợp và nền tảng cung ứng trong nước từng giúp Trung Quốc đi trước trong các chu kỳ phát triển pin trước đây, và những yếu tố tương tự đang được áp dụng lần này.

Những đối thủ khác trong cuộc đua

Cột mốc này thuộc về GAC, nhưng một số công ty Trung Quốc khác cũng đang tiến triển song song. BYD đang thử nghiệm thực tế bộ pin thể rắn thế hệ đầu, được cho là đạt khoảng 400 watt giờ mỗi kilogram, với mục tiêu bắt đầu sản xuất thí điểm vào năm 2027 và tích hợp rộng rãi hơn vào khoảng năm 2030. SAIC và đối tác Qingtao đã hoàn thành các dây chuyền sản xuất chủ chốt cho một nhà máy pin thể rắn hoàn toàn ở Thượng Hải. Gotion High Tech đã có dây chuyền thí điểm và đang thử nghiệm trên đường với các cell thể rắn mật độ cao. NIO đã đưa vào sử dụng bộ pin bán rắn 150 kilowatt giờ thông qua một đối tác, một bước trung gian giúp tích lũy kinh nghiệm tích hợp cell năng lượng cao.

Bên ngoài Trung Quốc, Toyota và Nissan đang xây dựng dây chuyền nguyên mẫu cho cell thể rắn hoàn toàn dạng lớp, với kế hoạch hướng tới cuối thập niên 2020. Samsung SDI và LG Energy Solution đang đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) pin thể rắn cũng như các cơ sở thí điểm. Công ty Mỹ Solid Power đang mở rộng sản xuất chất điện phân sulfide cho các đối tác. Lịch trình của các chương trình này tập trung vào giai đoạn 2027-2030 để đưa công nghệ vào ô tô lần đầu, còn sản lượng đáng kể sẽ đến muộn hơn khi hiệu suất sản xuất được cải thiện và chi phí giảm.

Những thách thức vẫn cần giải quyết

Chuyển từ dây chuyền thí điểm sang sản xuất hàng triệu cell mỗi năm là việc khó khăn. Chất điện phân rắn phải dẫn ion tốt, đồng thời duy trì độ ổn định khi tiếp xúc với các điện cực qua hàng nghìn chu kỳ. Các bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân rắn và điện cực cần duy trì sự tiếp xúc chặt chẽ, không hình thành các lớp cản trở dòng điện trong quá trình hoạt động. Một số chất điện phân rắn, đặc biệt là loại gốc sulfide, đòi hỏi kiểm soát độ ẩm nghiêm ngặt trong sản xuất. Tỷ lệ thành phẩm đạt chuẩn, tức số cell tốt thu được từ một dây chuyền, phải tăng lên mức của ngành để giảm chi phí.

Chuỗi cung ứng cũng sẽ chịu thử thách. Cần lượng lớn bột chất điện phân rắn và lithium kim loại hoặc cực dương giàu silicon. Thiết bị sản xuất, từ khâu trộn, ép đến ghép lớp, phải duy trì dung sai chặt chẽ ở tốc độ cao. Cần xây dựng các quy trình tái chế cho vật liệu mới. Những khoản đầu tư này rất lớn, vì vậy các hãng ô tô nhiều khả năng sẽ tập trung ứng dụng ban đầu vào những mẫu xe mà lợi ích về quãng đường hoặc giảm khối lượng đủ để bù đắp chi phí pin cao hơn.

Lãnh đạo GAC đã đặt ra các mục tiêu rõ ràng về khả năng của cell khi sử dụng trên xe. Qi Hongzhong, người đứng đầu bộ phận nghiên cứu và phát triển hệ thống truyền động năng lượng mới tại viện công nghệ nền tảng tiên tiến của GAC, mô tả những cải thiện mà công ty hướng tới.

Qi Hongzhong cho biết mật độ năng lượng của các cell thể rắn mới gần gấp đôi pin lithium-ion hiện có, đồng thời nhận định những chiếc xe hiện chỉ đi được hơn 500 km có thể đạt hơn 1.000 km khi sử dụng loại cell này.

Trích dẫn trên khái quát triển vọng của công nghệ. Công việc phía trước là chứng minh những con số đó trên xe sản xuất hàng loạt, trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau, qua nhiều năm sử dụng và với mức giá phù hợp với nhiều nhóm người mua.

Xe điện đi được 1.000 km sẽ thay đổi điều gì với người lái và lưới điện

Một mẫu xe điện thực tế đi được 1.000 km sẽ thay đổi cách mọi người lên kế hoạch cho các chuyến đi. Nhiều tài xế chỉ cần sạc vài lần mỗi tháng. Những chặng đường dài ở vùng nông thôn vốn khiến việc lên kế hoạch trở nên căng thẳng sẽ dễ dàng đi một mạch hơn. Quãng đường này cũng cho phép các hãng ô tô thu nhỏ bộ pin mà không làm giảm sự tiện lợi. Bộ pin nhỏ hơn có giá thấp hơn, nhẹ hơn và sử dụng ít nguyên liệu thô hơn. Hướng đi này giúp lợi ích của cell thể rắn nhanh chóng lan tới các phân khúc xe phổ thông.

Mạng lưới sạc vẫn sẽ rất quan trọng. Ngay cả cell mật độ cao cũng cần sạc nhanh để các chuyến đi đường dài thuận tiện. Hạ tầng Trung Quốc đang chuyển dịch theo hướng xây dựng các điểm sạc nhanh hơn, với các hệ thống công suất cấp megawatt mới bắt đầu được đưa vào vận hành cho xe thế hệ tiếp theo. Thiết kế thể rắn có thể tiếp nhận tốc độ sạc cao hơn mà chỉ cần quản lý nhiệt ở mức vừa phải sẽ rút ngắn thời gian dừng và giảm áp lực lên bộ pin. Hiệu suất và độ ổn định tốt hơn ở cấp độ cell sẽ làm tăng giá trị của những nâng cấp mạng lưới này.

Tóm lại

• GAC đã hoàn thành dây chuyền sản xuất đầu tiên của Trung Quốc dành cho cell pin xe điện thể rắn hoàn toàn cỡ lớn, đạt chuẩn dùng cho xe, dung lượng trên 60 Ah và đang sản xuất theo lô nhỏ.
• Dây chuyền có công suất trên diện tích lên tới 7,7 mAh/cm2 và hướng tới mật độ năng lượng gần gấp đôi cell lithium-ion hiện nay.
• Các thử nghiệm tích hợp trên xe được lên kế hoạch vào năm 2026, với mục tiêu tăng dần sản lượng hàng loạt trong giai đoạn 2027-2030.
• Tuyên bố quãng đường 1.000 km theo CLTC tương đương khoảng 400-465 dặm trong điều kiện thực tế thận trọng hơn.
• Quy trình sản xuất cực dương khô gộp nhiều công đoạn, giúp giảm thời gian và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời có thể hạ chi phí.
• Trung Quốc đã thành lập nền tảng hợp tác cấp quốc gia để đẩy nhanh thương mại hóa; doanh số thiết bị cho dây chuyền thể rắn được dự báo tăng nhanh đến năm 2030.
• BYD, SAIC, Gotion và NIO đang phát triển các chương trình tại Trung Quốc, trong khi Toyota, Nissan, Samsung SDI, LG Energy Solution và Solid Power thúc đẩy các nỗ lực ở nước ngoài.
• Mở rộng quy mô đòi hỏi cải thiện tỷ lệ thành phẩm, ổn định bề mặt tiếp xúc, chuỗi cung ứng chất điện phân rắn và cực dương, cũng như chứng minh độ bền trong nhiều điều kiện khác nhau.