Ngành pin xe điện đang chuyển trọng tâm sang thương mại hóa công nghệ âm cực silicon thay vì chờ pin thể rắn, vốn vẫn được xem là thế hệ pin tiếp theo nhưng còn cách xa giai đoạn phổ cập. Các hãng xe và doanh nghiệp pin kỳ vọng vật liệu này sẽ giúp tăng quãng đường di chuyển và cải thiện tốc độ sạc.

Theo InsideEVs ngày 18/6 (giờ địa phương), General Motors (GM) coi việc mở rộng ứng dụng âm cực silicon là hướng đi khả thi cho công nghệ pin thế hệ mới trong ngắn và trung hạn.

Phát biểu tại hội nghị GM Empower Conference ở San Francisco, Mỹ, ông Kurt Kelty, phụ trách mảng pin và phát triển bền vững của GM, cho biết ông xem silicon là công nghệ âm cực thế hệ mới. Theo ông, tỷ trọng silicon trong vật liệu âm cực sẽ tăng rõ rệt trong thời gian tới.

Âm cực là thành phần quan trọng của pin, có chức năng lưu trữ ion lithium khi sạc và giải phóng chúng khi xả. Hiện nay, phần lớn pin xe điện vẫn sử dụng graphite làm vật liệu âm cực.

Graphite có ưu thế về độ ổn định và mật độ năng lượng, nhưng chuỗi cung ứng lại phụ thuộc vào một số ít quốc gia. Đáng chú ý, hơn 90% hoạt động chế biến graphite dùng cho pin trên toàn cầu tập trung tại Trung Quốc, làm gia tăng lo ngại về rủi ro nguồn cung.

Vì vậy, ngành công nghiệp đang kỳ vọng việc nâng tỷ lệ silicon thay cho graphite sẽ cải thiện đáng kể mật độ năng lượng. So với graphite, silicon có thể lưu trữ nhiều ion lithium hơn trong cùng một thể tích, qua đó hỗ trợ tăng quãng đường và rút ngắn thời gian sạc.

Tuy nhiên, vật liệu này cũng có nhược điểm là giãn nở thể tích mạnh trong quá trình sạc. Do đó, hướng phát triển chủ đạo hiện nay là pha trộn silicon với graphite thay vì sử dụng silicon tinh khiết.

Trên thực tế, công nghệ âm cực silicon đã bước vào giai đoạn thương mại hóa ở một số phân khúc. Vật liệu này hiện được dùng trong pin cho smartphone cao cấp và đang dần mở rộng sang pin ô tô.

Trong khi đó, giới sản xuất pin cho rằng pin thể rắn vẫn cần thêm nhiều năm nữa mới có thể thương mại hóa trên diện rộng. Bởi vậy, âm cực silicon đang được chú ý nhiều hơn như một giải pháp thực tế hơn trong giai đoạn hiện nay.

Nhiều doanh nghiệp cũng đã đưa ra các số liệu cụ thể về hiệu quả. Startup pin của Mỹ Amprius Technologies cho biết một xe điện có quãng đường khoảng 310 mile (khoảng 499 km) với bộ pin hiện tại có thể tăng lên tối đa 574 mile (khoảng 924 km) nếu sử dụng pin âm cực silicon do hãng phát triển.

Một công ty Mỹ khác là Sila cho biết, nếu áp dụng vật liệu âm cực có hàm lượng silicon cao, quãng đường di chuyển có thể tăng khoảng 20% mà không cần tăng kích thước bộ pin.

Một số mẫu xe cũng đã bắt đầu ứng dụng công nghệ này. Siêu xe điện hiệu năng cao McMurtry Speirling của Anh sử dụng công nghệ âm cực silicon từ Group14 và Molicel, với khả năng tăng tốc từ 0 lên 60 mile/giờ (khoảng 97 km/h) trong 1,55 giây.

Mercedes-Benz cũng đã áp dụng âm cực chứa silicon cho mẫu AMG GT chạy điện mới. Hãng cho biết xe hỗ trợ sạc siêu nhanh với công suất tối đa 600 kW, cho phép sạc từ 10% lên 80% trong khoảng 11 phút.

Thách thức hiện nay nằm ở sản xuất quy mô lớn và khả năng cạnh tranh về giá. Dù pin âm cực silicon hiện chủ yếu được dùng cho các dòng xe hiệu năng cao, ngành công nghiệp đang thúc đẩy mở rộng công nghệ này sang thị trường xe điện phổ thông.

Sila cho biết nhà máy của hãng tại Moses Lake, bang Washington, Mỹ hiện có năng lực sản xuất vật liệu âm cực silicon đủ để cung cấp cho tối đa 50.000 xe điện mỗi năm. Công ty đặt mục tiêu nâng quy mô này lên mức tương đương 2,5 triệu xe, tùy theo đà tăng của nhu cầu thị trường.

Theo Sila, doanh nghiệp đã ký hợp đồng cung ứng với các đối tác lớn như Mercedes-Benz và Panasonic.

Group14 cũng đã bắt đầu sản xuất hàng loạt vật liệu âm cực silicon tại cơ sở ở Hàn Quốc, liên doanh với SK. Nhà máy được thiết kế với công suất tối đa 10 GWh mỗi năm và được đánh giá có thể cung cấp vật liệu pin cho hơn 100.000 xe điện.

Về phía GM, hãng cho biết vẫn duy trì chiến lược không phụ thuộc vào một hệ hóa học pin duy nhất. Ông Kelty nói GM sẽ kết hợp nhiều công nghệ pin khác nhau tùy mục đích sử dụng của từng dòng xe.

Hiện GM sử dụng pin niken hàm lượng cao cho các mẫu xe điện chủ lực, trong khi Chevrolet Bolt dùng pin lithium iron phosphate (LFP). Với các mẫu SUV cỡ lớn và xe bán tải dự kiến ra mắt vào năm 2028, GM có kế hoạch sử dụng pin lithium manganese-rich (LMR) chi phí thấp.

Gần đây, GM cũng công bố kế hoạch phát triển pin sodium-ion cho hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) phục vụ lưới điện.

Song song với đó, hãng vẫn tiếp tục nghiên cứu pin thể rắn. Ông Kelty cho biết GM hiện có nhiều nguyên mẫu pin thể rắn trong phòng thí nghiệm và đang tiến hành thử nghiệm, đồng thời nhấn mạnh công ty cần liên tục cập nhật những công nghệ mới nhất.

Giới chuyên môn nhận định cuộc đua pin xe điện sẽ không do một công nghệ duy nhất chi phối. Trong khi âm cực silicon nổi lên như giải pháp có thể sớm cải thiện quãng đường và hiệu năng sạc, pin thể rắn vẫn đang được phát triển theo hướng dài hạn.

Trong thời gian tới, năng lực mở rộng sản xuất hàng loạt, cắt giảm chi phí và tốc độ đưa pin âm cực silicon lên các mẫu xe phổ thông sẽ là những yếu tố quyết định sức cạnh tranh trên thị trường.