Trong hơn một thập kỷ qua, sự bùng nổ của ngành công nghiệp xe điện (EV) đã làm thay đổi sâu sắc cục diện ngành giao thông vận tải toàn cầu. Các tập đoàn lớn như Tesla, BYD, Hyundai, VinFast, Volkswagen, Toyota… đều đầu tư hàng tỷ USD vào nghiên cứu, sản xuất và cải tiến pin – “trái tim” của xe điện. Tuy nhiên, cho đến nay, loại pin phổ biến nhất trên xe điện vẫn là pin lithium-ion.

Pin lithium-ion có ưu điểm về độ ổn định, chi phí sản xuất ngày càng giảm và hệ sinh thái công nghệ đã hoàn thiện. Nhưng hạn chế lớn nhất chính là mật độ năng lượng thấp hơn kỳ vọng. Điều này đồng nghĩa với việc mỗi lần sạc, xe điện chỉ có thể đi được một quãng đường giới hạn – thường dao động từ 300 đến 500 km tùy mẫu xe. Với những người dùng di chuyển nhiều hoặc ở khu vực hạ tầng trạm sạc chưa phát triển, đây vẫn là rào cản lớn.

Ngoài ra, vấn đề thời gian sạc cũng gây nhiều băn khoăn. Dù các trạm sạc nhanh đã xuất hiện, người dùng vẫn mất từ 20 phút đến cả giờ đồng hồ để sạc đủ năng lượng cho một chuyến đi dài. Trong khi đó, việc tiếp nhiên liệu cho xe chạy xăng chỉ mất 3–5 phút. Chính sự so sánh này đã khiến nhiều khách hàng còn chần chừ với xe điện.

Vì thế, giới khoa học và công nghiệp đã không ngừng tìm kiếm những công nghệ pin đột phá – trong đó pin lithium–kim loại được xem là “ứng viên sáng giá nhất”.

Pin lithium–kim loại: Vì sao được kỳ vọng?

Khác với pin lithium-ion, vốn sử dụng cực âm bằng than chì, pin lithium–kim loại thay thế bằng kim loại lithium nguyên chất. Sự thay đổi này giúp tăng đáng kể mật độ năng lượng. Các nhà khoa học ước tính, pin lithium–kim loại có thể lưu trữ gấp 2–10 lần năng lượng so với pin lithium-ion hiện nay.

Điều này đồng nghĩa, nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công, một chiếc xe điện chỉ cần một lần sạc có thể đi từ 800 km đến hơn 1000 km – ngang ngửa hoặc vượt xa xe chạy xăng truyền thống.

Tuy nhiên, “viên ngọc quý” này lại bị cản trở bởi một vấn đề nghiêm trọng: dendrite. Đây là những tinh thể kim loại hình nhánh mọc trên cực dương khi pin sạc, làm giảm tuổi thọ, gây đoản mạch và thậm chí có thể dẫn đến cháy nổ. Chính dendrite đã khiến pin lithium–kim loại dù đầy tiềm năng vẫn chưa thể bước ra khỏi phòng thí nghiệm.

Bước đột phá từ KAIST: Chất điện phân mới

Trong công trình công bố trên tạp chí Nature Energy, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Hee Tak Kim tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã giới thiệu một giải pháp mang tính đột phá: chất điện phân lỏng có cấu trúc hóa học đặc biệt.

Điểm then chốt của chất điện phân này là cơ chế giúp ion lithium lắng đọng đồng đều trên bề mặt cực dương, thay vì tập trung cục bộ. Nhờ đó, dendrite không có cơ hội hình thành, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo an toàn trong quá trình sạc nhanh.

Kết quả thử nghiệm ấn tượng

Pin được sạc từ 5% lên 70% chỉ trong 12 phút, vẫn duy trì hiệu suất sau 350 chu kỳ sạc–xả.

Phiên bản dung lượng lớn hơn đạt 80% chỉ sau 17 phút sạc, ổn định trong 180 chu kỳ.

Tuổi thọ pin ước tính tương đương hơn 300.000 km di chuyển – mức mà các loại pin thương mại hiện nay khó có thể đạt được.

Những con số này cho thấy công nghệ mới không chỉ khắc phục nhược điểm dendrite mà còn mở ra triển vọng sạc siêu tốc – một trong những yếu tố then chốt để người dùng sẵn sàng chuyển sang xe điện.

Tác động đối với ngành công nghiệp xe điện

Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ pin lithium–kim loại của KAIST có thể tạo ra ba thay đổi mang tính cách mạng:

Quãng đường di chuyển dài hơn: Xe điện có thể chạy 800–1000 km một lần sạc, vượt qua “nỗi lo hết pin giữa đường” – vốn là rào cản lớn nhất của người dùng.

Sạc siêu tốc: Với khả năng sạc đến 70% chỉ trong 12 phút, trải nghiệm này gần tương đương việc tiếp nhiên liệu cho xe xăng. Đây sẽ là “đòn bẩy tâm lý” mạnh mẽ để khách hàng lựa chọn xe điện.

Tăng độ bền và an toàn: Tuổi thọ pin kéo dài hàng trăm ngàn km, cùng độ ổn định cao, giúp giảm chi phí bảo trì và thay thế.

So sánh với các công nghệ pin khác

Trong cuộc đua phát triển pin cho xe điện, không chỉ có lithium–kim loại. Các hướng nghiên cứu khác cũng được theo đuổi:

Pin thể rắn (Solid-state battery): Sử dụng chất điện phân rắn, hứa hẹn an toàn hơn nhưng hiện vẫn gặp khó khăn về chi phí và khả năng sản xuất hàng loạt.

Pin natri-ion: Giá thành rẻ, nguyên liệu phong phú, nhưng mật độ năng lượng thấp hơn lithium-ion.

Pin LFP (Lithium Iron Phosphate): Đang được Tesla, BYD và VinFast sử dụng nhiều, có độ bền cao và chi phí hợp lý, nhưng mật độ năng lượng kém.

So với các công nghệ này, pin lithium–kim loại với chất điện phân mới của KAIST cho thấy ưu thế vượt trội về mật độ năng lượng và tốc độ sạc.

Thách thức trước khi thương mại hóa

Dù kết quả thử nghiệm rất hứa hẹn, vẫn còn nhiều rào cản để công nghệ đi vào thực tế:

Tối ưu quy trình sản xuất: Chất điện phân mới cần được kiểm chứng về tính khả thi khi sản xuất hàng loạt.

Chi phí: Lithium nguyên chất và công nghệ chế tạo tiên tiến thường có giá cao, cần thời gian để giảm chi phí.

Độ tin cậy dài hạn: Các thử nghiệm mới dừng ở vài trăm chu kỳ sạc. Xe điện thương mại cần hàng nghìn chu kỳ trong điều kiện thực tế khắc nghiệt.

Chuỗi cung ứng: Việc khai thác, tinh chế và cung cấp lithium vẫn là vấn đề chiến lược toàn cầu, có thể ảnh hưởng đến khả năng triển khai.

Ý nghĩa toàn cầu

Sự thành công của KAIST không chỉ là bước tiến cho Hàn Quốc mà còn có ý nghĩa lớn đối với xu hướng giao thông xanh toàn cầu. Theo IEA (Cơ quan Năng lượng Quốc tế), đến năm 2030, số lượng xe điện có thể đạt 230 triệu chiếc. Để đạt mục tiêu này, cần một công nghệ pin vừa mạnh mẽ, vừa an toàn, vừa rẻ.

Pin lithium–kim loại với chất điện phân mới có thể là chìa khóa để:

Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Giúp các quốc gia đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 (Net Zero).

Mở ra thế hệ xe điện “phổ cập” thay vì chỉ dành cho khách hàng cao cấp.

Tương lai và triển vọng

Giáo sư Hee Tak Kim cho biết nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện thiết kế, tối ưu sản xuất và đánh giá độ tin cậy dài hạn. Nếu thành công, chỉ trong vài năm tới, chúng ta có thể chứng kiến thế hệ xe điện mới với quãng đường vượt trội và tốc độ sạc ngang ngửa xe xăng.

Đây không chỉ là thay đổi trong công nghệ, mà còn có thể tạo ra bước ngoặt trong thói quen tiêu dùng: người dùng sẽ yên tâm hơn khi bỏ xe xăng để chuyển sang xe điện.

Từ một nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của KAIST, thế giới có thể tiến gần hơn đến giấc mơ về pin siêu bền, siêu nhanh và siêu an toàn cho xe điện. Thành tựu này không chỉ giúp khắc phục điểm yếu cố hữu của pin lithium–kim loại mà còn mở ra viễn cảnh mới cho toàn bộ ngành công nghiệp ô tô điện toàn cầu.

Trong một thế giới đang chịu áp lực về biến đổi khí hậu, năng lượng sạch và giao thông xanh, sự đột phá về công nghệ pin chính là chìa khóa thúc đẩy cách mạng xe điện. KAIST vừa chứng minh rằng, rào cản lớn nhất của xe điện – pin – đang dần được tháo gỡ.

Nguồn: Tổng hợp