Liệu Nhật Bản và Toyota có thể giành chiến thắng trong cuộc đua về pin thể rắn?

Toyota Motor, nhà sản xuất xe hơi lớn nhất thế giới vào năm 2020, từ lâu đã được coi là người đi đầu trong lĩnh vực sản xuất pin thể rắn - loại pin này sẽ ổn định hơn và sạc nhanh hơn so với pin lithium-ion mà các nhà sản xuất ô tô thường sử dụng ngày nay. Toyota có kế hoạch công bố mẫu thử nghiệm của một chiếc ô tô chạy bằng pin thể rắn vào cuối năm nay.

Tuy nhiên, Volkswagen của Đức, có doanh số bán hàng không bằng Toyota trong năm 2020, đang ở vị trí cao nhất. Năm nay, nhà sản xuất ô tô Đức đã tăng cường đầu tư vào QuantumScape, một công ty khởi nghiệp của Mỹ nhằm sản xuất pin thể rắn. QuantumScape - được Bill Gates hậu thuẫn và có giá trị vốn hóa thị trường gần 11 tỷ USD. Công ty này cho biết vào ngày 14 tháng 5 rằng, họ và Volkswagen sẽ quyết định sẽ xây dựng dây chuyền thử nghiệm cho liên doanh sản xuất pin của họ trong năm nay. Mục tiêu hướng tới là thành lập dây chuyền sản xuất vào năm 2024, cho phép Volkswagen ra mắt xe điện chạy bằng pin vào năm sau.

Với việc xe điện được coi là một phần quan trọng trong các nỗ lực toàn cầu nhằm đạt tới mức phát thải carbon bằng 0, các nhà sản xuất ô tô khác đang đặt cược vào công nghệ pin tiên tiến.

Ford Motor trong tháng này đã bổ sung khoản đầu tư vào công ty khởi nghiệp pin thể rắn Solid Power. BMW cũng đang tham gia với nhà sản xuất ô tô Mỹ trong vòng tài trợ 130 triệu đô la mới nhất, khi công ty khởi nghiệp có kế hoạch cung cấp cho các nhà sản xuất ô tô này các mẫu pin thể rắn để thử nghiệm xe vào năm 2022.

Vào tháng 1, nhà sản xuất ô tô Trung Quốc Nio dự kiến chiếc xe mới của họ vào năm 2022 sẽ có pin thể rắn và có thể đạt được phạm vi 1.000 km - mặc dù nhiều người tin rằng pin dự kiến ​​của Nio có thể là nửa rắn và nửa lỏng chứ không phải tất cả trạng thái rắn.  Và Hyundai Motor của Hàn Quốc đã cho biết trong một cuộc họp hội nghị vào tháng trước rằng họ sẽ sản xuất hàng loạt xe điện chạy bằng pin thể rắn vào năm 2030.

"Chúng tôi nghĩ rằng bất kỳ nhà sản xuất hoặc công ty ô tô nào hiện cũng đều quan tâm đến pin thể rắn. ... Công nghệ này đang trở thành cơn sốt trên toàn cầu", Christoph Neef, nhà khoa học cấp cao tại Viện Hệ thống Fraunhofer có trụ sở tại Đức chia sẻ với trang tin Nikkei Asia.

Cuộc chạy đua toàn cầu ngày càng gay gắt là một thách thức đối với Nhật Bản. Trung Quốc và Hàn Quốc đang nhanh chóng làm lật đổ ngôi vị thống trị thị trường pin lithium-ion của nước này. Quyết tâm tránh lặp lại điều này, chính phủ Nhật Bản đang đi đầu trong việc thương mại hóa công nghệ pin mới nhất này.

Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới, được gọi là NEDO, một cơ quan thuộc khu vực công, đang ủy quyền một dự án cho Trung tâm Đánh giá và Công nghệ Pin Lithium Ion do nhà hóa học đoạt giải Nobel Akira Yoshino đứng đầu. Các nhà sản xuất ô tô bao gồm Toyota, Honda Motor và Nissan Motor, cũng như các nhà sản xuất pin, công ty hóa chất và các trường đại học cũng nhận quỹ từ NEDO để tham gia vào nỗ lực nghiên cứu về pin thể rắn, dưới sự lãnh đạo của công ty Libtec.

Mikinari Shimada, người quản lý nghiên cứu pin thể rắn của công ty Libtec, cho biết: “Để Nhật Bản dẫn đầu thị trường về pin thể rắn, chúng tôi phải mở rộng phạm vi nghiên cứu.

Pin thể rắn là pin sử dụng điện cực và điện phân trạng thái rắn để dẫn ion, thay cho chất lỏng hoặc Polyme thường thấy ở pin Li-ion hoặc pin Li-ion polyme. Pin thể rắn được ứng dụng trong các máy tạo nhịp tim nhân tạo, thiết bị công nghệ đeo và xe chạy điện. Pin thể rắn có khả năng an toàn cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn nhưng chi phí sản xuất cũng cao hơn pin liti-ion.

Bởi vì pin thể rắn có mật độ năng lượng lớn hơn, chúng đóng gói nhiều năng lượng hơn cho cùng một trọng lượng, cho phép các nhà sản xuất ô tô mở rộng phạm vi hoạt động của EV hoặc cung cấp pin nhỏ hơn và rẻ hơn cho cùng phạm vi. Chúng cũng có thể sạc lại nhanh hơn vì không cần tính đến nguy cơ sinh nhiệt khi sạc ở mức công suất cao.

Ví dụ, Volkswagen cho biết pin của họ với QuantumScape sẽ cung cấp phạm vi hoạt động nhiều hơn khoảng 30% so với pin loại lỏng có cùng kích thước và trọng lượn; khả năng sạc đến 80% dung lượng trong vòng 12 phút - chỉ bằng khoảng một nửa thời gian so với loại pin loại lỏng nhanh nhất đang được sử dụng hiện nay.

Kiyoshi Kanamura, Giáo sư tại Đại học Tokyo Metropolitan, chuyên về pin, cho biết: “Điện áp cao hơn sẽ góp phần làm tăng hiệu quả của xe. Nhưng pin thể rắn về cơ bản không thể đốt cháy được, và việc nén chúng sẽ làm giảm khối lượng của chúng đi khoảng một nửa theo tính toán của tôi. Các nhà sản xuất ô tô trước hết đang tìm cách có được lợi thế đó".

Sam Abuelsamid, nhà phân tích chính của công ty nghiên cứu Guidehouse Insights có trụ sở tại Mỹ, cho biết, việc theo đuổi chi phí thấp và hiệu suất cao của các nhà sản xuất ô tô đã trở thành "năng lực cốt lõi của hoạt động kinh doanh của họ trong tương lai, giống như động cơ và hộp số trong quá khứ".

Một người đứng ngoài cuộc trong cuộc đua tìm kiếm pin thể rắn là Tesla, nhà sản xuất xe điện nổi tiếng nhất. Giám đốc điều hành Elon Musk vẫn giữ im lặng về pin thể rắn nhưng cho biết nhà sản xuất ô tô đang lo lắng về khả năng cung cấp niken cho thế hệ pin lithium-ion hiện tại.

Theo báo cáo của Văn phòng Sáng chế Châu Âu và Cơ quan Năng lượng Quốc tế, Toyota đã theo đuổi loại pin thế hệ mới này trong hơn một thập kỷ, tạo ra số lượng đơn đăng ký bằng sáng chế lớn nhất cho pin thể rắn từ năm 2014 đến năm 2018. Toyota đã tuyên bố tại một hội nghị vào ngày 12 tháng 5 rằng họ sẽ bán 8 triệu xe điện vào năm 2030, trong đó xe chạy bằng pin nhiên liệu và xe điện chiếm 1/4 sản lượng.

Vào tháng 4 năm 2020, Toyota đã thành lập Prime Planet Energy & Solutions, một liên doanh với Panasonic để phát triển pin xe, tập trung vào pin thể rắn.

Neef, nhà khoa học của Fraunhofer cho biết: “Một công ty như Toyota sẽ có một số lợi thế vì họ đã thực hiện nghiên cứu và phát triển nội bộ trong một thời gian khá dài và cũng có thể đã có ý tưởng về chuỗi cung ứng của họ sẽ trông như thế nào". Ông nói thêm rằng những nỗ lực nghiên cứu của Toyota có vẻ "đầy hứa hẹn."

Tuy nhiên, Toyota cho biết họ phải đối mặt với những thách thức. Masahiko Maeda, Giám đốc công nghệ của Toyota, nói với các phóng viên tại hội nghị vào ngày 12 tháng 5. “Rào cản kỹ thuật vẫn còn cao. Chúng tôi hiện đang phát triển các vật liệu để có thể đáp ứng mọi yêu cầu về độ an toàn và độ bền”.

Honda, dưới thời Giám đốc điều hành mới Toshihiro Mibe, cũng đang đẩy mạnh nghiên cứu về pin thể rắn. Mibe cho biết vào tháng 4 rằng, công ty sẽ bắt đầu một dây chuyền trong năm nay và đặt mục tiêu cung cấp pin thể rắn cho các mẫu xe mới. Nissan cũng đang tìm cách bán các loại xe được trang bị pin thế hệ mới này.

Một khó khăn trong việc chế tạo pin thể rắn là đảm bảo tiếp xúc đầy đủ giữa chất điện phân rắn và các điện cực dương và âm, điều dễ dàng thực hiện trong pin lỏng thông thường nơi dung dịch điện phân lấp đầy khoảng trống giữa các điện cực. Một số người nói rằng làm thủ công vẫn là cách hiệu quả nhất để tạo áp lực vừa đủ lên các vật liệu và đảm bảo chúng dính chặt vào nhau.

"Vấn đề lớn với pin trạng thái rắn vẫn là khả năng sản xuất," Abuelsamid nói. "Chưa ai có thể mở rộng quy mô sản xuất theo yêu cầu ô tô." Abuelsamid không nghĩ rằng sẽ thấy bất kỳ sản lượng pin số lượng lớn nào cho đến năm 2025 và hơn thế nữa.

Neef cũng bày tỏ sự nghi ngờ về tính khả thi của việc phát triển công nghệ thể rắn liệu có thể nhanh như các công ty dự kiến.

Ông nói: “Công nghệ pin thể rắn là sự kết hợp tốt giữa các vật liệu và thành phần. Nhưng hầu hết các nguyên mẫu được thực hiện trong phòng thí nghiệm chứ không phải trên dây chuyền thử nghiệm"

Ông nói thêm rằng ông hy vọng pin thể rắn sẽ sớm được thương mại hóa, có thể phải đến năm 2030.

Shimada của Libtec cho biết, nhóm nghiên cứu pin thể rắn đã phát triển loại pin có mật độ năng lượng tương đương với các loại phương tiện điện hiện có, sử dụng chất điện phân lỏng, cho phép phạm vi tương tự. Pin cũng có thể được sạc đầy từ 0 đến 80% trong 10 phút.

Chương trình cũng sẽ kiểm tra các vật liệu mới cho pin thể rắn thế hệ tiếp theo, với mục đích đạt được phạm vi hoạt động tương đương với các loại xe chạy bằng xăng hiện nay.

Hiện nay, sự hiện diện của Nhật Bản đang ngày càng giảm trên thị trường pin lithium-ion.

Công ty nghiên cứu thị trường Nhật Bản Techno System Research cho biết Trung Quốc và Hàn Quốc chiếm hơn 70% tổng lượng pin ô tô xuất xưởng vào năm 2020. Công ty Công nghệ Amperex (CALT) của Trung Quốc, chiếm 26% thị phần và LG Chem kiểm soát 23%. Panasonic, công ty sản xuất pin cho Tesla, là nhà sản xuất Nhật Bản duy nhất trong top 7 - trái ngược hoàn toàn với năm 2013 khi các công ty Nhật Bản chiếm hơn 50% thị trường.

Shimada, người từng làm việc tại Panasonic, cho biết các nước đối thủ đang bắt kịp ngay cả trong lĩnh vực pin thể rắn.

NEDO cho biết Nhật Bản chiếm 37% trong số hơn 9.400 bằng sáng chế được áp dụng trên toàn cầu từ năm 2018 đến năm 2021, vượt 28% của Trung Quốc và 16% của Mỹ, nhưng Trung Quốc đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế nhiều hơn Nhật Bản mỗi năm kể từ năm 2016. "Có khả năng cao trong tương lai, Trung Quốc sẽ vượt qua Nhật Bản.

Bất chấp những nỗ lực của chính phủ, các chuyên gia đặt câu hỏi liệu Nhật Bản có thể trở thành trung tâm sản xuất pin thể rắn cho ô tô điện hay không.

"Ngay cả khi chuyển sang các loại pin thái rắn, pin vẫn sẽ lớn và nặng", Abuelsamid nói. "Khi sản xuất xe điện tăng lên, các nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp đang ngày càng chuyển sang sản xuất nội địa hóa pin, mô-đun để tiết kiệm chi phí vận chuyển và hỗ trợ sản xuất đúng lúc."

Neef cho biết nhu cầu địa phương có nhiều khả năng thu hút sản xuất pin quy mô lớn. Ví dụ ở châu Âu, CATL đang xây dựng một nhà máy ở Đức để phục vụ thị trường xe điện. Mặc dù ông tin rằng Nhật Bản "rất mạnh về nghiên cứu và phát triển pin", sự thâm nhập thấp của xe điện ở Nhật Bản có thể là một bất lợi cho Nhật Bản trong nhiệm vụ trở thành một địa điểm lớn cho sản xuất pin thể rắn.

Nhật Bản là thị trường tiêu thụ ô tô điện lớn nhất thế giới. Nhưng thuật ngữ ở đây chủ yếu đề cập đến các dòng hybrid. Xe điện nguyên khối năm 2019 chiếm 2% thị trường Nhật Bản, theo cùng một báo cáo của EPO-IEA trích dẫn Toyota là công ty dẫn đầu về việc đăng ký bằng sáng chế. Điều này một phần là do các nhà sản xuất ô tô như Toyota đã đặt cược sớm vào công nghệ hybrid.

Báo cáo cảnh báo: “Vị trí dẫn đầu về công nghệ pin của Nhật Bản đã không giúp nước này chuyển thành thị trường ô tô điện lớn trong nước”. Điều này có thể cần phải thay đổi nhanh chóng nếu đất nước muốn thực hiện tham vọng của mình.

Seiji Sugiura, nhà phân tích cấp cao tại Viện nghiên cứu Tokai Tokyo, cho biết: “Thị trường đang mong đợi Toyota đưa ra tuyên bố rõ ràng rằng công ty sẽ giải quyết hoàn toàn xe điện nếu có mong muốn tiếp tục phát triển pin thể rắn”. Nhiều người cho rằng lời hứa tung ra 25% xe điện mới của Toyota dưới dạng EV và FCV vào năm 2030 là quá viển vông.

Sugiura cho biết: "Các đối thủ của hãng ở Bắc Mỹ và châu Âu đang gấp rút tung ra xe điện. Nhưng chiến lược của Toyota không đi theo động thái như vậy,  hãng xe dành thời gian tập trung vào phát triển và sản xuất hàng loạt pin thể rắn". 

Bảo Bảo (Theo Nikkei Asia)