Tìm nguồn thay thế côban - Cuộc chạy đua có ý nghĩa sống còn đối với xe điện

Trong phòng thí nghiệm của một công viên công nghiệp cách Boston một giờ lái xe, giáo sư Michael của Tufts đang kì vọng vào loại nguyên liệu được ông phát minh ở chính tầng hầm nhà mình có thể giúp giải quyết cuộc khủng hoảng mà nền công nghiệp ô tô điện đang phải đối mặt.

Song song với việc giảng dạy, ông Zimmerman đang điều hành một công ty start-up, Ionic Materials, với nguyên liệu pin có thể tạo nên bước ngoặt cho ngành công nghiệp xe ô tô vốn đang phát triển theo hướng dùng điện sau một thế kỷ sản xuất xe chạy xăng dầu. Ông hi vọng mô hình do mình tạo ra có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho dòng pin không dùng côban, một kim loại màu xám bạc, với hơn 60% trữ lượng nằm ở Cộng hòa Công-gô.

Được hỗ trợ bởi nhà đầu tư kiêm nhà khoa học máy tính nổi tiếng, Bill Joy, người đã dành nhiều năm nghiên cứu một loại pin hoàn hảo, cổ đông của Ionic bao gồm Liên minh sản xuất xe hơi Renault Nissan Mitsubishi, Hyundai và một công ty dầu mỏ của Pháp.

Ngồi trong văn phòng mình, ông Zimmerman cho biết: "Thế giới đang hướng tới các phương tiện giao thông chạy điện. Tôi chưa từng thấy một ngành công nghiệp khổng lồ nào cho thấy nhu cầu chuyển giao công nghệ mạnh đến vậy. Từng công ty, chính phủ và quốc gia – họ đều muốn thực hiện tham vọng này trên toàn thế giới."

Danh sách các công ty trợ cấp cho Ionic phản ánh mức độ quan tâm ngày một tăng cao của các nhà sản xuất xe hơi về công nghệ pin hiện tại và sự phụ thuộc vào Cộng hòa Công-gô. Nguồn cung cô-ban do một nhóm các công ty khai thác mỏ kiểm soát, bao gồm Glencore. Theo các tổ chức về quyền con người, lao động trẻ em chiếm đa số nhân công trong ngành khai thác cô-ban.

Mike Zimmerman, giáo sư ở Tufts, người điều hành công ty start-up Ionic Materials, đang nghiên cứu cách tạo ra loại pin an toàn hơn và sử dụng ít cô-ban hơn © Tony Luong/Redux/ Eyevine

Với nhiều chuyên gia, năng lượng pin sẽ chiếm thế độc tôn trong thế kỷ này — như cách mà dầu mỏ đã làm vào thế kỷ trước. Pin là nguồn năng lượng của mọi hoạt động kĩ thuật số trong đời sống hàng ngày, từ iPhone đến laptop. Nhưng đây cũng là chìa khóa cho các loại xe chạy điện để thay thế các phương tiện dùng xăng dầu và các loại xe dùng năng lượng tái tạo. Nếu không có dòng pin này, sẽ rất khó để thế giới có thể chấm dứt sự phụ thuộc vào xăng dầu và hạn chế các tác động đối với biến đổi khí hậu.

Nhưng sản xuất pin rất phức tạp và cần sự kết hợp khéo léo các thành phần hóa học để đáp ứng được những yêu cầu về hiệu suất. Khách hàng kỳ vọng thời gian sạc được rút ngắn, tuổi thọ pin dài và an toàn — dùng được trong mọi điều kiện từ cái lạnh của mùa đông đến cái nóng của sa mạc Arizona.

Nếu không có những thay đổi lớn trong kĩ thuật năng lượng pin, nhu cầu về cô-ban sẽ tăng gấp đôi trong thập kỷ tới — với nguồn cung từ Cộng hòa Công-gô tăng lên hơn 70%. Gleb Yushin, giáo sư tại School of Materials and Engineering trực thuộc Viện công nghệ Georgia, đề cập thẳng thắn về thực trạng này: tiềm năng phát triển xe điện sẽ không được cụ thể hóa, trừ khi có một cú bứt phá về năng lượng pin.

Caspar Rawles, người phụ trách mảng thị trường của công ty tư vấn Benchmark Mineral Intelligence, có trụ sở ở London, cho hay: "Sẽ chẳng có bất kỳ nền công nghiệp xe chạy điện nào nếu thiếu cô-ban của Công-gô. Nếu không có Công-gô, sự chuyển giao trong ngành này sẽ không xảy ra."

Ông Zimmerman bắt đầu lên ý tưởng về năng lượng pin cách đây 5-6 năm, khi các loại xe chạy điện mới bắt đầu thu hút được sự chú ý và chiếc xe Teslas đầu tiên đã trở nên nổi tiếng toàn cầu. Ở thời điểm đó, cô-ban là loại kim loại đặc biệt chủ yếu dùng cho động cơ máy bay và smartphone.

Kể từ đó, doanh thu xe chạy pin và phiên bản sạc điện tăng trưởng từ 6.000 chiếc năm 2010 lên 1 triệu chiếc trong năm ngoái, tương đương 1% tổng số xe bán ra hàng năm. Theo các chuyên gia phân tích của McKinsey, có hơn 340 triệu phương tiện giao thông chạy điện (bao gồm ô tô chở khách, xe tải và xe buýt) được sản xuất từ giờ đến năm 2030.

Theo Benchmark Mineral Intelligence, thực tế này dẫn đến việc ngày càng nhiều các nhà máy sản xuất pin ra đời. Số lượng các nhà máy "gigafactories" đang xây dựng tăng gấp mười lần trong tám năm qua lên con số 41. Simon Moores, nhà sáng lập công ty, cho rằng năng lượng pin được định sẵn sẽ trở thành "những thùng dầu của thế kỷ 21".

Được giáo sư 96 tuổi người Mỹ John Goodenough phát hiện khi ông còn ở Đại học Oxford năm 1980, pin lithium-ion đã chứng tỏ tầm quan trọng đối với nền khoa học và kỹ thuật thế kỷ 20, tạo ra làn sóng các thiết bị điện cầm tay từ máy quay đến smartphone. Loại pin này cũng trở thành lựa chọn qui chuẩn cho các dòng xe chạy điện, sử dụng hàng trăm cục pin được lắp đặt trong những hộp giống như những cặp kim loại, nặng tới 600kg.

Ông Zimmerman cho biết, kể từ khi Sony thương mại hóa công nghệ lithium-ion năm 1991, có rất ít những cải tiến ổn định trong lĩnh vực này. Ông tin rằng năng lượng pin phục vụ cuộc sống của chúng ta có thể đã chạm mức giới hạn.

Ông cho hay: "Ai cũng muốn kéo dài tuổi thọ pin điện thoại cũng như xe chạy điện của mình. Tôi tin rằng pin lithium-ion giờ đã chạm mức giới hạn; sẽ không có thêm bất kỳ cải tiến nào với công nghệ hiện tại."

Các cục pin phụ thuộc vào bốn bộ phận chính: điện cực dương và âm, thiết bị chia tách và chất lỏng điện phân. Cực âm được tráng một lớp bùn oxit kim loại đã qua xử lý cẩn thận mà ở hầu hết các xe bao gồm lithium, côban, nickel và mangan. Khi thiết bị hoạt động và pin được xả, lithium-ion sẽ chảy vào điện cực âm tạo ra một dòng các electron và dòng điện. Khi pin được sạc lại, chúng sẽ chảy ngược về cực dương - thường được làm từ than chì.

Cô-ban rất quan trọng trong việc ngăn ngừa pin nóng lên và sự ổn định mà chất này mang lại cho các nguyên liệu pin cho phép người dùng sạc và xả sạc xe của họ suốt nhiều năm. Nhưng đây cũng là kim loại đắt nhất được sử dụng — khiến các nhà sản xuất xe gặp khó trong việc hạ giá thành ô tô điện và cạnh tranh với các đối thủ chạy xăng dầu.

Các chuyên gia phân tích ở Liberum, ngân hàng đầu tư và môi giới có trụ sở ở London, ước tính giá 1kg cô-ban để tạo ra cực âm của pin vào khoảng 12 USD, so với 8 USD lithium và 5 USD nickel. Họ ước tính các kim loại chiếm khoảng 25% giá một cục pin. Trong khi các nguồn cô-ban đang được phát triển ở Idaho, Alaska và Australia, các mỏ này chưa thể sản xuất kim loại trước năm 2020.

Mỏ cô-ban ở Mutanda, Cộng hòa Công-gô. Nhu cầu cô-ban dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong thập kỷ tới – hơn 70% trữ lượng cô-ban ở Công-gô. © Bloomberg

Ông Zimmerman, một nhà khoa học kim loại, bắt đầu chú ý đến lĩnh vực nghiên cứu chưa được khai thác — chất điện phân, chất tạo ra lửa trong pin. Về mặt lý thuyết, nếu sử dụng kim loại rắn thay vì chất lỏng, pin sẽ an toàn hơn và nhẹ hơn. Điều này cũng cho phép các nhà sản xuất xe giảm lượng cô-ban cho cực âm, hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn.

Nhà khoa học người Anh, Michael Faraday, lần đầu phát hiện ra chất rắn dẫn điện những năm 1830 nhưng chưa bao giờ được sử dụng trong pin ở nhiệt độ phòng. Tại tầng hầm của mình, ông Zimmerman đã chế tạo ra một chất polyme chỉ phục vụ chức năng này.

Ông Joy, người đang nghiên cứu công nghệ pin trạng thái rắn trong khi đang làm việc tại công ty đầu tư mạo hiểm Kleiner Perkins, cho biết: "Đó chỉ là một miếng nhựa xấu xí trong một cái cuộn với những lỗ nhỏ nhưng bạn sẽ ngỡ ngàng với tính năng của nó. Đây là minh chứng cho tính khả thi của một sản phẩm đã được nghiên cứu quá lâu rồi."

Theo công ty tư vấn Wood Mackenzie các nhà sản xuất xe hơi Toyota, Mercedes-Benz và tập đoàn cơ khí Anh, Dyson, đang nghiên cứu loại pin dùng chất rắn giống như của ông Zimmerman và kỹ thuật này đã được đầu tư khoảng 400 triệu USD trong nửa đầu năm nay. Họ dự đoán đến năm 2030 loại pin này sẽ đóng vai trò chủ chốt cho dòng xe chạy điện nhưng sẽ chỉ được tung ra thị trường vào năm 2025.

Peter Bruce, giáo sư khoa vật chất học tại đại học Oxford cho rằng: "Vẫn còn nhiều thách thức trong việc đưa pin trạng thái rắn thành một sản phẩm thương mại khả thi. Nhưng hiện vấn đề này đang được giải quyết."

Ionic là một trong những start-up thương mại hóa cuộc cách mạng pin này. Đây là lĩnh vực mà các công ty đều phải hứng chịu nhiều thất bại, như công ty sản xuất pin bằng nước biển, Aqion Energy, có trụ sở ở Pittburgh, được Bill Gates và Kleiner Perkins đầu tư, đã phá sản vào tháng Ba năm ngoái.

Ở thời điểm này, các công ty pin đang chạy đua để giảm lượng cô-ban sử dụng với công nghệ thông thường. Yoshio Ito, Giám đốc mảng kinh doanh thiết bị tự động của Panasonic, chuyên cung cấp cho Tesla, trả lời các phóng viên ở Tokyo vào tháng trước, mục tiêu của họ là giảm lượng cô-ban sử dụng trong các dòng xe chạy điện của Tesla trong 2-3 năm tới. Tesla cho biết công ty "có tham vọng loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng cô-ban trong thời gian tới".

Hầu hết các nhà sản xuất xe đang đi theo hướng sử dụng pin chủ yếu là từ nickel và giảm 75% lượng cô-ban. Các sản phẩm này được kì vọng sẽ chiếm lĩnh thị trường trong vài năm tới.

Venkat Viswanathan, giáo sư tại Đại học Carnegie Mellon, cho rằng có thể giảm lượng cô-ban bằng cách dùng các chất hóa học điện phân lỏng. Ông cho biết: "Ionic Materials là hướng đi nhằm giảm thiểu các loại điện cực âm làm bằng cô-ban nhưng các nhà sản xuất pin đang phải nghiên cứu để tìm ra các giải pháp khả thi cho dòng điện phân lỏng."

Pin được lắp đặt vào xe chạy điện tại một dây chuyền của BYD ở Thâm Quyến, Trung Quốc © Reuters

Theo Wood Mackenzie, ngay cả khi chuyển hướng sang các dòng pin dùng ít cô-ban, nhu cầu sử dụng kim loại này vẫn được ước tính sẽ tăng gấp đôi tới năm 2025. Ông Viswanathan cho biết: "Rất khó để loại bỏ hoàn toàn cô-ban, nếu ít sử dụng thì còn có thể, nhưng không có cô-ban thì khá nan giải."

Về phần mình, ông Zimmerman cho biết dòng pin ít cô-ban vẫn đi kèm với rủi ro cháy nổ nên cần phải sử dụng công nghệ giám sát tốn kém.

Trong một nghiên cứu, ông cho xem đoạn clip những cái đinh bị hút vào các điện cực âm dùng ít cô-ban có điện phân lỏng, ông gọi đó là "thí nghiệm kiểm tra khả năng di chuyển của đinh". Ông cho biết sẽ có khói, tia lửa và "những kết quả tiêu cực xuất hiện", khi chúng ta quan sát các cục pin bắt lửa trong khoang kim loại. Khi có lửa, sẽ xuất hiện khí ga độc cần đến đội cứu hỏa với những bộ đồ chuyên dụng. "Về cơ bản thì nó không hề an toàn," ông nhận xét.

Ông Zimmerman cũng bổ sung: "Cô-ban rất đắt — và được khai thác từ những nguồn phi đạo đức ở Công-gô, vì vậy mọi người muốn giảm lượng cô-ban trong pin. Khi giảm cô-ban, điện áp cực âm tăng lên và điện phân lỏng hiện giờ không thích hợp với điện áp cao như vậy. Nhưng polyme thì có thể."

Ionic cho biết họ đang thử nghiệm polyme cho cực âm có ít hoặc không có cô-ban và đang làm việc với các công ty nhằm thương mại hóa kĩ thuật này. Nếu thành công, họ sẽ tìm cách đưa công nghệ này vào pin trong vài năm nữa và sau đó là vào xe chạy điện.

Ông Joy, đồng sáng lập Sun Microsystems, cho biết công nghệ này có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Sự kết hợp các chất như hiện tại đã đạt đến mức giới hạn, ông nhận định.