Pin thể rắn, công nghệ được xem là thế hệ tiếp theo của thị trường xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), đang bước vào giai đoạn tăng tốc thương mại hóa. Với ưu thế về mật độ năng lượng, tốc độ sạc và độ an toàn, công nghệ này thu hút sự chú ý lớn của ngành pin. Tuy nhiên, để phổ biến trên thị trường, các doanh nghiệp vẫn phải giải bài toán sản xuất hàng loạt và hạ giá thành.

Theo MIT Technology Review ngày 21/10 (giờ địa phương), pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn như gốm hoặc polymer thay cho chất điện phân lỏng trong pin lithium-ion. Cấu trúc này được đánh giá có thể giảm nguy cơ cháy nổ, tăng mật độ năng lượng và rút ngắn thời gian sạc, qua đó trở thành một trong những hướng đi đáng chú ý nhất của công nghệ pin thế hệ mới.

Một trong những rào cản kỹ thuật lớn nhất với pin thể rắn là hiện tượng dendrite. Ở các loại pin dùng cực âm kim loại lithium, quá trình sạc có thể tạo ra các nhánh lithium dạng tinh thể. Nếu các nhánh này xuyên qua chất điện phân rắn, pin có thể bị đoản mạch. Dù chất điện phân rắn được kỳ vọng đóng vai trò như một lớp chắn vật lý, thực tế dendrite vẫn có thể phát triển dọc theo các vết nứt trong vật liệu.

Khâu sản xuất quy mô lớn cũng là thách thức không nhỏ. Để chế tạo pin thể rắn, doanh nghiệp phải sản xuất số lượng lớn tấm gốm với tỷ lệ khuyết tật rất thấp. Một số vật liệu điện phân còn dễ phản ứng với nước, buộc quy trình sản xuất phải diễn ra trong môi trường khô với yêu cầu kiểm soát độ ẩm nghiêm ngặt. Theo đánh giá chung của ngành, phải tới giữa những năm 2030, giá thành pin thể rắn mới có khả năng tiến gần mức của pin lithium-ion hiện nay.

Trong bối cảnh đó, QuantumScape, công ty pin thể rắn của Mỹ, khẳng định đã sở hữu công nghệ sản xuất cần thiết để tiến tới thương mại hóa. Doanh nghiệp được Bill Gates đầu tư này đang phát triển chất điện phân rắn nền gốm tương thích với kim loại lithium, tập trung xử lý bài toán dendrite.

Tim Holme, đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của QuantumScape, cho biết: “Chúng tôi đã mất 10 năm để nắm được cách gia công vật liệu này, đồng thời vẫn đáp ứng toàn bộ các yêu cầu khác”.

Năm 2025, QuantumScape công bố một quy trình sản xuất độc quyền nhằm đẩy nhanh công đoạn tạo chất điện phân gốm cho pin thể rắn và xử lý nhiệt. Theo Holme, “trong lĩnh vực gốm, chưa ai từng làm theo cách này”. Công ty cho biết nếu quy trình gốm truyền thống thường mất nhiều ngày, công nghệ của hãng có thể rút ngắn xuống chỉ còn vài phút. Dù vậy, câu hỏi then chốt vẫn là liệu tốc độ này có thể được duy trì khi mở rộng lên sản xuất hàng loạt hay không.

Cuộc đua không chỉ có các startup công nghệ pin. Toyota đã nghiên cứu pin thể rắn từ năm 2010 và hiện thúc đẩy xây dựng cơ sở sản xuất thử nghiệm cùng công ty vật liệu Nhật Bản Idemitsu Kosan. Hãng xe Nhật Bản dự báo xe sử dụng pin thể rắn có thể đạt quãng đường tối đa 745 dặm với thời gian sạc dưới 10 phút.

CATL, tập đoàn pin lớn của Trung Quốc, cũng đang tăng tốc đầu tư cho R&D. Công ty được cho là đã chi khoảng 2,6 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu pin thể rắn trong năm 2024. Trong khi đó, Mercedes-Benz vào mùa thu năm ngoái đã lắp pin thể rắn trên một mẫu sedan EQS để chạy thử. Sau khi đi được 750 dặm, chiếc xe vẫn còn dung lượng pin để tiếp tục vận hành. Tuy nhiên, do mỗi doanh nghiệp sử dụng công nghệ và điều kiện thử nghiệm khác nhau, các con số về quãng đường vận hành khó có thể so sánh trực tiếp.

Một số ý kiến cho rằng thị trường đầu tiên của pin thể rắn có thể không nằm ở xe điện. Dù pin cho ôtô có quy mô thị trường rất lớn, chi phí sản xuất cao có thể khiến giá xe tăng theo. Với ESS cho lưới điện, nhu cầu được dự báo tăng nhờ mức tiêu thụ điện ngày càng lớn từ các trung tâm dữ liệu. Tuy nhiên, việc đưa một công nghệ mới với chi phí cao hơn vào triển khai chỉ khả thi khi nó tạo ra lợi thế rõ rệt về chi phí và tuổi thọ. Nếu bảo đảm được khả năng cấp điện trong thời gian dài, dư địa ứng dụng của pin thể rắn sẽ rộng hơn đáng kể.

Vì vậy, một số doanh nghiệp đang xem hàng không và quốc phòng là những thị trường mục tiêu đầu tiên, nơi áp lực về chi phí thấp hơn tương đối trong khi nhu cầu sản lượng không quá lớn. Solid Energies ở California và Sion Power ở Arizona là những ví dụ đang tìm cách thâm nhập phân khúc này.

Evelina Stoikou, nhà phân tích phụ trách công nghệ pin và chuỗi cung ứng tại BloombergNEF, nhận định: “Những lĩnh vực này ít nhạy cảm hơn với chi phí và thường chỉ cần sản lượng thấp”. Theo bà, đây là “cách phù hợp để chứng minh tính khả thi của công nghệ, huy động vốn cho nhà máy thí điểm, rồi sau đó mở rộng quy mô”.

Pin thể rắn hiện đã đi qua giai đoạn chỉ kiểm chứng vật liệu và thiết kế cell, để bước sang bài toán xây dựng quy trình sản xuất thực tế và tìm kiếm khách hàng đầu tiên. Tuy nhiên, việc chứng minh hiệu năng trong phòng thí nghiệm hoàn toàn khác với sản xuất đại trà các cell pin có chất lượng đồng đều. Kết quả của cuộc đua thương mại hóa nhiều khả năng sẽ phụ thuộc vào khả năng nâng tỷ lệ thành phẩm và kéo giảm chi phí, qua đó đủ sức cạnh tranh với pin lithium-ion hiện nay.