Pin xe điện hiện nay có những loại nào?

Trong bối cảnh ngành ôtô toàn cầu bước vào kỷ nguyên điện hóa, pin – bộ phận then chốt quyết định hiệu năng, giá trị và tuổi thọ xe điện – đã trở thành tâm điểm của cuộc cạnh tranh khốc liệt.

Pin giữ vai trò then chốt trên xe điện, quyết định hiệu năng, giá trị lẫn tuổi thọ, vì thế nhiều tập đoàn và startup đang chạy đua nghiên cứu vật liệu mới nhằm tối ưu cho hệ thống này.

Các tập đoàn lớn cùng những startup non trẻ đều lao vào nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mới dựa trên các nguyên liệu như natri, lưu huỳnh hoặc những hợp chất hóa học khác, với mục tiêu giảm chi phí và giảm phụ thuộc vào những khoáng sản khan hiếm. Hiện tại, Trung Quốc đang nắm tới 85% sản lượng pin toàn cầu và kiểm soát 90% khâu xử lý nguyên liệu cho 2 dòng pin lithium-ion chính.

Công nghệ pin thay đổi nhanh chóng nhưng nguyên lý cơ bản vẫn giữ nguyên: mọi viên pin đều có 3 thành phần chính gồm cực dương (cathode), cực âm (anode) và chất điện phân. Tùy thuộc vào chất liệu cấu thành, mỗi loại pin mang đến ưu và nhược điểm riêng, từ những dòng truyền thống cho tới các thế hệ mới đang được thử nghiệm.

Nguyên lý hoạt động của pin vẫn không đổi, dựa trên 3 thành phần chính: cực dương (cathode), cực âm (anode) và chất điện phân, nơi các phản ứng hóa học diễn ra để tạo ra và lưu trữ dòng điện.

Những công nghệ cũ như pin chì-acid, vốn quen thuộc trong các bình ắc-quy 6 V hoặc 12 V khởi động xe, vẫn được duy trì nhờ chi phí thấp và độ bền trong điều kiện khắc nghiệt, dù hạn chế về khối lượng nặng và mật độ năng lượng thấp. Pin nickel-cadmium (Ni-Cd) hay nickel-metal hydride (Ni-MH) từng mở đường cho xe hybrid đầu tiên như Toyota Prius năm 1997. Ngoài ra, công nghệ natri-nickel chloride cũng đã xuất hiện trong đội xe của Bưu điện Pháp, với ưu điểm nhỏ gọn và có thể lắp trên xe cũ mà không cần chuyển đổi cấu trúc.

Bước sang kỷ nguyên xe điện hiện đại, pin lithium-ion trở thành nền tảng chủ đạo. Được thương mại hóa từ năm 1991 bởi Sony, công nghệ này nhanh chóng phổ biến từ điện thoại, máy tính xách tay cho đến ôtô. Ưu thế của lithium-ion nằm ở khả năng sạc nhanh và chậm linh hoạt, mật độ năng lượng cao cùng hiệu suất vận hành ổn định.

Mẫu Mercedes-Benz Concept AMG GT XX vừa lập kỷ lục di chuyển "một vòng Trái Đất trong 8 ngày", vốn sử dụng bộ pin có cell hình trụ NCMA (Nickel-Cobalt-Mangan-Nhôm) có dạng cao và hẹp, đạt mật độ năng lượng trên 300 Wh/kg.

Tuy nhiên, khối lượng lớn, độ nhạy với nhiệt độ và nguy cơ quá nhiệt là những rào cản không nhỏ. Trong 2 dòng pin lithium-ion chính, NMC (Nickel-Mangan-Cobalt) nổi bật nhờ mật độ năng lượng cao, phù hợp cho xe lớn nhưng đi kèm chi phí đắt đỏ và rủi ro đạo đức trong khai thác cobalt tại Cộng hòa Dân chủ Congo. Ngược lại, LFP (Lithium Iron Phosphate) rẻ hơn, loại bỏ cobalt, phù hợp cho xe nhỏ song mật độ năng lượng thấp hơn.

Để khắc phục hạn chế đó, nhiều hướng nghiên cứu mới đang được thúc đẩy. Pin natri-ion sử dụng những nguyên tố dồi dào hơn như nhôm, sắt và mangan, thay thế lithium, nickel và cobalt. Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp, khả năng chịu tới 50.000 chu kỳ sạc, tính an toàn cao và nguồn cung dễ dàng, nhưng mật độ năng lượng thấp và nguồn pin thương mại gần như chưa có.

Các startup như Estes Energy Solutions phát triển loại pin không giới hạn về chất liệu cấu thành, giúp giảm sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng nguyên liệu thô toàn cầu, vốn chủ yếu đến từ Trung Quốc.

Một biến thể khác, LNMO (Lithium Nickel Mangan Oxide), được hãng xe Renault kỳ vọng sản xuất thương mại vào năm 2028, hứa hẹn kết hợp mật độ năng lượng như NMC, chi phí và độ an toàn như LFP, đồng thời có khả năng sạc nhanh dưới 15 phút.

Một hướng đi đầy tiềm năng khác là pin lithium-lưu huỳnh. Lyten, một startup được tập đoàn Stellantis hậu thuẫn, cho biết công nghệ này có mật độ năng lượng gấp đôi lithium-ion, loại bỏ nhu cầu sử dụng nickel, cobalt và mangan, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu sản xuất tại Bắc Mỹ và châu Âu để giảm phụ thuộc vào chuỗi cung ứng toàn cầu. Dù vậy, công nghệ này cũng chưa thể ra mắt trước năm 2028.

Pin thể rắn đang được nhiều hãng xe đẩy mạnh nghiên cứu và sản xuất nhờ những ưu điểm về mật độ năng lượng cũng như hiệu suất cho các phương tiện trong tương lai.

Song song, pin thể rắn (solid-state), với chất điện phân rắn thay cho dạng lỏng truyền thống, được coi là "cứu cánh" của ngành công nghiệp pin nhờ an toàn, nhẹ và mật độ năng lượng vượt trội, nhưng vẫn chưa đạt quy mô sản xuất công nghiệp.

Sự đa dạng của công nghệ pin phản ánh rõ rệt những nỗ lực định hình tương lai xe điện. Trong bối cảnh Trung Quốc thống trị chuỗi cung ứng lithium-ion, cuộc đua phát triển các thế hệ pin mới không chỉ nhằm tối ưu chi phí và hiệu suất, mà còn mang ý nghĩa chiến lược: đảm bảo an ninh năng lượng, giảm lệ thuộc vào các nguồn tài nguyên hạn chế, đồng thời mở ra cục diện cạnh tranh mới cho ngành công nghiệp ôtô.