Kỷ nguyên pin thể rắn 720Wh/kg: Đe dọa cho ô tô truyền thống?

Theo dữ liệu từ Hiệp hội Ô tô Trung Quốc, doanh số xe điện của Trung Quốc vào năm 2023 sẽ là 9,5 triệu chiếc, với tỷ lệ là 31,6%. Trong quý 1 năm nay, tỷ lệ xe điện trong nước đã đạt 41%, tăng 6% so với năm ngoái.

Tuy nhiên, một số người trong ngành cho rằng xu hướng tăng tỷ lệ này sẽ chậm lại sau năm 2024, chủ yếu là do EV vẫn còn tồn tại một loạt vấn đề như tự bốc cháy, sạc, tuổi thọ pin mùa đông, lão hóa pin và tỷ lệ giá trị còn lại thấp. Các vấn đề, đặc biệt là lo lắng về quãng đường di chuyển đã ảnh hưởng lớn đến quyết định mua hàng của người tiêu dùng và hạn chế việc mở rộng hơn nữa thị trường xe điện. Làm thế nào để giải quyết những vấn đề này đã trở thành thách thức lớn nhất mà các công ty ô tô và nhà sản xuất pin lớn phải đối mặt.

Sự ra đời của pin thể rắn với mật độ năng lượng 720Wh/kg

Sự kết thúc của xe truyền thống?

Gần đây, những vấn đề này dường như đã tìm ra giải pháp. Tailan New Energy thông báo rằng họ đã chuẩn bị thành công công suất monome cấp ô tô đầu tiên trên thế giới là 120Ah và mật độ năng lượng đo được là 720 Wh/kg. Pin lithium Metal của tiểu bang đã lập kỷ lục mới trong ngành về dung lượng pin đơn và mật độ năng lượng cao nhất của pin Lithium nhỏ gọn.

Để so sánh, mật độ năng lượng hiện tại của pin lithium iron phosphate thường nằm trong khoảng 100Wh/kg-160Wh/kg, trong khi mật độ năng lượng của bộ pin lithium-ion bậc ba là trong khoảng 150Wh/kg-260Wh/kg. Cụ thể hơn, mật độ năng lượng của bộ pin 4680 của Tesla là 244Wh/kg, còn mật độ năng lượng của bộ pin Kirin của CATL là 255Wh/kg. Tương lai chỉ có một mật độ năng lượng cao nhất chỉ là 500Wh/kg, vẫn còn rất xa so với con số 720Wh/kg mà Tailan New Energy công bố.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng 720Wh/kg là mật độ năng lượng của cell pin chứ không phải mật độ năng lượng chung của cả bộ pin. Lấy bộ pin 150kWh của NIO làm ví dụ, mật độ năng lượng cell pin của nó là 360Wh/kg, nhưng mật độ năng lượng của bộ pin sau khi sản xuất hàng loạt chỉ là 260Wk/kg, bởi vì bộ pin cũng chứa Hệ thống quản lý pin, hệ thống quản lý nhiệt, kết nối điện, các bộ phận kết cấu và các bộ phận khác. Do đó, mật độ năng lượng của pin và mật độ năng lượng của bộ pin là hai khái niệm khác nhau, trong ứng dụng thực tế, chúng ta quan tâm nhiều hơn đến hiệu suất tổng thể và hiệu suất của bộ pin.

Mặc dù vậy, mật độ năng lượng đo được của pin kim loại lithium thể rắn đạt 720Wh/kg vẫn gây ra mối lo ngại và tranh cãi lớn trong ngành.

Điểm nổi bật về mặt kỹ thuật của loại pin thể rắn có mật độ năng lượng 720Wh/kg là gì?

Cực âm sử dụng vật liệu gốc mangan giàu lithium có công suất cao, chu kỳ dài

Trước tiên chúng ta hãy xem làm thế nào đạt được mật độ năng lượng 720Wh/kg này? Theo giới thiệu chính thức, điện cực dương của loại pin này sử dụng vật liệu dựa trên mangan giàu lithium có dung lượng cao, chu kỳ dài và điện cực âm sử dụng vật liệu dựa trên kim loại Lithium tổng hợp siêu rộng, siêu mỏng. Chất điện phân là chất điện phân rắn tổng hợp oxit hiệu suất cao, hiện là chất điện phân pin thể rắn tương đối phổ biến. Nó có thể ngăn chặn hiệu quả việc đâm thủng Lithium dendrite và giải quyết vấn đề trở kháng giao diện rắn-rắn của pin Lithium trạng thái rắn để đảm bảo an toàn và ổn định.

Tuy nhiên, loại chất điện phân này sẽ gây ra vấn đề nội trở quá mức. Giải pháp của Tailan New Energy là kẹp một lớp vật liệu gel lên bề mặt tiếp xúc rắn. Bằng cách xây dựng mạng lưới truyền tải ion và điện tử hiệu quả, nó sẽ cải thiện điện trở của điện tích. Các hạt bên trong điện cực dương Khả năng di chuyển, từ đó tối ưu hóa trở kháng giao diện, đạt được sự cải thiện tổng thể về hiệu suất tổng thể của pin và được kỳ vọng sẽ giải quyết cơ bản các mối lo ngại về tuổi thọ pin và an toàn của pin Lithium-ion truyền thống.

Trước đây, những cải tiến công nghệ của các nhà sản xuất chủ yếu được thể hiện ở việc tối ưu hóa cấu trúc, chẳng hạn như pin lưỡi quen thuộc, pin lưỡi ngắn, CTB (tích hợp thân pin), pin 4680 và pin Kirin thực chất là những loại pin được tối ưu hóa cấu trúc ở bộ pin. Mật độ năng lượng ở cấp độ lõi không dùng pin được cải thiện. Pin thể rắn và bán rắn thực sự cải thiện mật độ năng lượng và hiệu suất an toàn thông qua những thay đổi về vật liệu hóa học (thay thế chất điện phân lỏng hiện đang được sử dụng trong pin bằng chất điện phân rắn).

Do đó, nhìn từ góc độ khách quan, pin thể rắn là đích đến cuối cùng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới và là mục tiêu cuối cùng mà các hãng ô tô và nhà sản xuất pin lớn theo đuổi. Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường dài để đạt được sản xuất và thương mại hóa hàng loạt, đồng thời phải vượt qua nhiều thách thức, bao gồm chi phí sản xuất, quy trình sản xuất, hiệu quả sản xuất, cơ sở sạc điện và các yếu tố khác.

Mặc dù pin thể rắn rất hoàn hảo nhưng chúng khó sản xuất hàng loạt

Chi phí sản xuất, an toàn tải sản xuất hàng loạt, v.v. đều là vấn đề

Đầu tiên là vấn đề sản xuất hàng loạt, mặc dù pin thể rắn đã có những tiến bộ nhất định trong phòng thí nghiệm nhưng chúng vẫn gặp nhiều khó khăn trong quá trình chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất hàng loạt. Điều này bao gồm cách đảm bảo tính nhất quán của hiệu suất pin trong quá trình sản xuất hàng loạt, cách giảm chi phí sản xuất và cách giải quyết các mối nguy hiểm về an toàn có thể xảy ra.

Chỉ riêng chi phí sản xuất đã rất cao. Chi phí sản xuất pin thể rắn hiện tương đối cao, chủ yếu là do vật liệu có độ tinh khiết cao và quy trình sản xuất phức tạp cần thiết để sản xuất chúng, bao gồm việc kiểm soát chính xác vật liệu, cũng như quy trình lắp ráp và đóng gói pin, đòi hỏi nhiều R&D và đầu tư để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của quy trình sản xuất.

Ngay cả khi những điều này được hoàn thành thành công, nếu chi phí pin điện chiếm 60%, thậm chí 80% toàn bộ chiếc xe, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lợi nhuận của các công ty ô tô và sự sẵn sàng mua ô tô của người tiêu dùng. Nếu một công nghệ mới không thể được phổ biến và sản xuất hàng loạt thì chi phí của nó không thể được chia sẻ một cách hiệu quả, điều này càng cản trở quá trình thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi của nó.

Các loại xe sử dụng pin nhiên liệu hydro hiện nay chắc chắn là nguồn tham khảo có giá trị cho các loại xe chạy pin thể rắn trong tương lai, chẳng hạn như Toyota Mirai có giá từ 103.000 USD, phiên bản điện hydro Deep Blue SL03 có giá 96.300 USD và Hyundai Nexo có giá 111.000 USD. Giá cao của những mẫu này nêu bật những thách thức về chi phí mà các công nghệ mới phải đối mặt trong giai đoạn đầu thương mại hóa.

Thứ hai là vấn đề cạnh tranh trên thị trường. Trong quá trình thương mại hóa pin thể rắn, chúng cũng phải đối mặt với sự cạnh tranh từ pin Lithium-ion lỏng truyền thống. Pin Lithium-ion lỏng đã đạt được sự cân bằng nhất định về giá thành, mật độ năng lượng và độ an toàn, nếu muốn giành được chỗ đứng trên thị trường, pin thể rắn cần thể hiện được những ưu điểm rõ ràng về các mặt này và cần được cơ quan kiểm tra thị trường trong một thời gian dài.

Cuối cùng là vấn đề an toàn trên các phương tiện sản xuất hàng loạt, mặc dù về mặt lý thuyết pin thể rắn an toàn hơn nhưng chúng vẫn cần phải trải qua quá trình kiểm tra và xác minh nghiêm ngặt trong ứng dụng thực tế. Đặc biệt trong những điều kiện khắc nghiệt, hiệu suất an toàn của pin thể rắn cần được nghiên cứu và xác nhận thêm.

Ngoài ra, ngay cả khi xe sản xuất hàng loạt được trang bị pin thể rắn dung lượng cao, sạc cao thì để đạt được sự cải thiện về chất, các thiết bị sạc cho người dùng cuối cũng phải theo kịp. Trong thời gian ngắn, rất khó để phổ biến nó trong pin và không thể phát huy hết những ưu điểm của pin thể rắn.

Một sự thật không thể chối cãi là pin thể rắn vượt qua pin Lithium-ion lỏng ở góc độ.Tuy nhiên, không khó để tìm ra điểm chung của pin thể rắn từ lịch trình của các hãng ô tô lớn. Vì vậy, vẫn còn một khoảng thời gian nhất định trước khi chúng ta có thể thực sự trải nghiệm xe điện chạy pin thể rắn. Ngay cả khi một công ty ô tô hoặc nhà sản xuất pin thông báo rằng họ có pin thể rắn thì rất có thể đó là một phương pháp tiếp thị trong tương lai để thu hút sự chú ý của công chúng.

Tóm lại, xét theo xu hướng thị trường hiện nay và sự phát triển công nghệ, pin thể rắn thực sự có tiềm năng và triển vọng rất lớn. Về chi phí và các vấn đề khác, vẫn còn rất lâu nữa sản phẩm mới được đưa vào sản xuất hàng loạt.

Ngược lại, pin Lithium-ion lỏng truyền thống vẫn là lựa chọn chủ đạo trên thị trường nhờ công nghệ hoàn thiện và giá thành tương đối thấp. Vì vậy, những người ủng hộ pin thể rắn thực sự đang phóng đại để thu hút sự chú ý và kiếm được lưu lượng truy cập.

Vấn đề lo lắng về quãng đường đã đề cập ở phần đầu vẫn sẽ là một trong những nhược điểm lớn nhất của xe điện và cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ý định mua hàng của người tiêu dùng. Khi việc xây dựng các cơ sở sạc ngày càng hoàn thiện, vấn đề lo lắng về phạm vi dần dần được giảm bớt và giá của các nguồn năng lượng mới giảm dần, khẩu hiệu “giá của dầu và điện giống nhau” và “điện thấp hơn dầu” nối tiếp nhau. Nhiều người tiêu dùng truyền thống bắt đầu thử những thứ mới, đây cũng là nguyên nhân quan trọng khiến tốc độ thâm nhập của năng lượng mới tăng dần. Nhưng nếu chúng ta muốn tiếp tục phát triển, sự phổ biến của pin thể rắn trong tương lai vẫn sẽ là chất tăng tốc quá trình đốt cháy tốt nhất.

Theo PcAuto