Cuộc đua 15 năm chưa có hồi kết: Vì sao pin thể rắn vẫn là 'giấc mơ xa xỉ' của ngành xe điện toàn cầu?

Trong suốt hơn một thập kỷ qua, pin thể rắn được xem là "chén thánh" của ngành năng lượng mới, thế nhưng, dù được các ông lớn như Toyota, Samsung, hay CATL dốc sức theo đuổi với hàng chục tỷ USD đầu tư, công nghệ này vẫn chưa thể bước ra khỏi phòng thí nghiệm để tiến vào sản xuất hàng loạt.

Khi Tesla công bố kế hoạch sản xuất hàng loạt pin thể rắn vào năm 2026, cả thế giới xe điện đã sôi sục. Gần như cùng thời điểm, CATL (gã khổng lồ pin của Trung Quốc) cũng đặt mục tiêu tương tự, còn BYD mạnh tay chi thêm 10 tỷ nhân dân tệ cho nghiên cứu và phát triển. 

Những tín hiệu ấy khiến thị trường tin rằng "bình minh mới" của ngành pin đã đến rất gần. Nhưng thực tế phũ phàng là, sau hơn 15 năm nghiên cứu, chưa một quốc gia nào có thể sản xuất hàng loạt pin thể rắn hoàn chỉnh.

Cốt lõi của công nghệ pin thể rắn nằm ở việc thay thế chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn. Về lý thuyết, điều này giúp mật độ năng lượng tăng tới 70%, đồng thời loại bỏ nguy cơ cháy nổ: nhược điểm cố hữu của pin lithium-ion hiện nay. Tuy nhiên, đằng sau ý tưởng nghe có vẻ đơn giản ấy là hàng loạt rào cản vật lý, hóa học và kỹ thuật mà cho đến nay, nhân loại vẫn chưa thể vượt qua.

Trở ngại đầu tiên là vấn đề vật lý. Trong pin lỏng, chất điện phân thấm đều qua các điện cực như nước thấm vào miếng bọt biển, đảm bảo dòng điện di chuyển mượt mà. Còn trong pin thể rắn , hai bề mặt rắn va chạm trực tiếp với nhau khiến điện trở tăng gấp 10 đến 100 lần. 

Thậm chí, sự giãn nở của các điện cực khi sạc và xả có thể tạo ra lực lên tới 200 MPa, đủ để phá vỡ giao diện rắn và hình thành các "gai lithium" - những tinh thể kim loại sắc bén có thể xuyên thủng lớp điện phân, gây đoản mạch.

Rào cản thứ hai mang tính hóa học, xuất phát từ chính bản chất của các vật liệu rắn. Ba nhóm vật liệu điện phân rắn chính: polymer, oxit và sunfua đều có ưu và nhược điểm chết người. Polymer dễ gia công nhưng dẫn điện kém và cần nhiệt độ cao để hoạt động. Oxit bền vững nhưng lại dẫn ion yếu. Còn sunfua, vật liệu được nhiều hãng kỳ vọng nhất thì có độ dẫn điện tốt song lại phản ứng mạnh với không khí, tạo ra khí độc hydrogen sulfide. 

Điều này buộc các nhà máy phải duy trì môi trường sản xuất sạch gấp 1000 lần phòng phẫu thuật, đẩy chi phí lên mức khổng lồ. Toyota, hãng tiên phong trong lĩnh vực này, đã đầu tư hơn 15 tỷ USD và phát triển hàng loạt bằng sáng chế, nhưng đến nay vẫn chưa thể thương mại hóa công nghệ.

Trở ngại thứ ba là bài toán kỹ thuật và sản xuất. Để chuyển từ pin lỏng sang pin thể rắn , các dây chuyền cần được thay đổi gần như toàn bộ: từ phòng sấy, hàn laser cho đến quy trình ép lớp. Một kỹ sư của Zhongchuang Innovation Aviation (Trung Quốc) tiết lộ rằng chỉ khoảng 30% thiết bị hiện có có thể tái sử dụng. Nghĩa là, hàng trăm tỷ nhân dân tệ tài sản sẽ bị "xóa sổ" nếu doanh nghiệp quyết định chuyển sang công nghệ mới.

Đối mặt với những rào cản này, ba cường quốc pin lớn nhất thế giới đã chọn ba con đường khác nhau.

Nhật Bản, với Toyota dẫn đầu, đặt cược tất cả vào chiến lược phát triển pin thể rắn , nhưng, kế hoạch sản xuất hàng loạt vốn dự kiến vào năm 2025 nay bị hoãn ít nhất đến sau năm 2030. Nhiều chuyên gia ví von, chiến lược này giống với thất bại của TV plasma trước LCD - công nghệ ưu việt hơn nhưng quá đắt đỏ để đại chúng hóa.

Trong khi đó, Hàn Quốc chọn con đường "đa hướng" khi Samsung SDI nghiên cứu song song cả hai hướng oxit và sunfua. Cách tiếp cận này giúp giảm rủi ro, nhưng cũng khiến nguồn lực bị phân tán. Theo Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH), hiệu quả R&D của nước này chỉ đạt 60% so với Nhật Bản, và vẫn chưa có dấu hiệu đột phá.

Còn Trung Quốc lại chọn hướng thực dụng hơn: pin bán rắn. CATL, BYD, Gotion High-Tech hay WeLion đều đã thương mại hóa các bộ pin loại này, trong đó có bộ pin 150kWh trang bị trên NIO ET7. Dù vẫn giữ lại 5-10% chất điện phân lỏng, pin bán rắn vẫn giúp giảm điện trở, dễ sản xuất và tương thích với dây chuyền hiện có. Quan trọng hơn, Trung Quốc đã xây dựng được chuỗi cung ứng gần như khép kín từ vật liệu, thiết bị cho đến sản xuất hàng loạt, điều mà Nhật và Hàn vẫn đang thiếu.

Tuy nhiên, ngay cả khi vượt qua được các giới hạn kỹ thuật, bài toán thương mại hóa vẫn là một vấn đề nan giải. Hiện chi phí pin thể rắn vào khoảng 4-5 nhân dân tệ/Wh - gấp đôi pin lỏng. Để có thể cạnh tranh, chi phí này phải giảm xuống còn 1,5 nhân dân tệ/Wh vào năm 2030. Điều đó đòi hỏi cả ba yếu tố cùng tiến: vật liệu mới, quy trình sản xuất tối ưu và quy mô sản xuất lớn.

Ngoài ra, ngành công nghiệp này vẫn thiếu một bộ tiêu chuẩn toàn cầu thống nhất. Các hãng xe lo ngại về độ an toàn và độ ổn định của pin thể rắn trong điều kiện thực tế. Tại Trung Quốc, Viện Tiêu chuẩn hóa Công nghệ Điện tử đang gấp rút xây dựng bộ "thông số kỹ thuật chung" cho loại pin này, dự kiến công bố vào năm 2026.

Một vấn đề khác là kỳ vọng của người tiêu dùng. Pin thể rắn được quảng bá như công nghệ "thay đổi cuộc chơi", nhưng lợi ích thực tế vẫn chưa tương xứng. 

Dù vậy, cuộc đua chưa kết thúc. Các mô hình trí tuệ nhân tạo hiện đang giúp các phòng thí nghiệm rút ngắn thời gian phát triển vật liệu điện phân. Tại Trung Quốc, sự hội tụ giữa ngành pin và các lĩnh vực như hàng không đô thị eVTOL hay robot hình người đang mở ra những hướng ứng dụng mới, đòi hỏi pin có mật độ năng lượng cao hơn nữa.

Giới chuyên môn dự đoán, trước năm 2030, pin thể rắn hoàn chỉnh có thể xuất hiện trong các thiết bị điện tử cao cấp hoặc robot, còn phải đến giai đoạn 2035 mới đủ rẻ để phổ cập đại trà. Khi đó, giấc mơ "pin không cháy, sạc nhanh, chạy ngàn cây số" có lẽ mới thực sự thành hiện thực.

Và có lẽ, trong cuộc đua dài hơi này, không có ai là kẻ thất bại. Nhật Bản mang lại nền tảng nghiên cứu vững chắc, Hàn Quốc thể hiện năng lực sản xuất tinh vi, còn Trung Quốc nắm giữ lợi thế quy mô và chuỗi cung ứng. Ba mảnh ghép ấy, nếu kết hợp được, có thể sẽ mở ra chương mới cho ngành năng lượng toàn cầu.