Pin lithium-ion đã thay đổi thế giới, đưa điện thoại thông minh, máy tính xách tay và tai nghe không dây đến tay hàng tỷ người. Tới giờ, cuộc chiến công nghệ pin đang kích hoạt một cuộc cách mạng khác.
Công nghệ được lựa chọn cả trong ô tô điện và ngành công nghiệp lưu trữ điện non trẻ, các tế bào sẽ là trụ cột quan trọng trong quá trình chuyển đổi toàn cầu sang nền kinh tế không carbon.
Khi nhu cầu tăng cao, việc triển khai hứa hẹn những khoản lợi nhuận khổng lồ. Doanh thu pin lithium-ion toàn cầu sẽ tăng lên 700 tỷ USD/năm vào năm 2035, theo công ty tư vấn Benchmark Mineral Intelligence, vào thời điểm đó, 730 tỷ USD sẽ phải được đổ vào các nhà máy pin, mỏ và cơ sở chế biến để đáp ứng nhu cầu không chỉ cho lithium mà còn cho các thành phần khác bao gồm niken và coban.
Glen Merfeld, giám đốc công nghệ của Albemarle, công ty lithium lớn nhất thế giới, cho biết: “Bây giờ sẽ là một cuộc đua để xem ai có thể phát triển những công nghệ tiên tiến nhất trên thế giới".
Với hai nhánh chính của công nghệ lithium-ion đang cạnh tranh để giành ưu thế, kẻ thắng người thua sẽ được quyết định trong những năm tới khi các công ty chạy đua để cung cấp cho thế giới, từ các nhà sản xuất ô tô bao gồm Tesla, Volkswagen và BYD, và các nhà sản xuất pin CATL và LG Energy Solution, cho đến các công ty khai thác như Glencore và BHP.
SỰ TRỖI DẬY CỦA LITHIUM-ION
Được các nhà khoa học Hoa Kỳ phát minh vào những năm 1970 và được Sony của Nhật Bản thương mại hóa vào năm 1991 để cung cấp năng lượng cho các máy quay video Handycam của mình, các tế bào lithium-ion tạo ra nhiều sức mạnh hơn trong kích thước, nhỏ hơn và nhẹ hơn so với các loại pin sử dụng công nghệ axit chì hoặc cadmium niken thống trị pin sạc trước đây.
Có thể nói, công nghệ pin lithium đã giúp góp phần không nhỏ khai sinh ra ngành công nghiệp điện tử di động, pin lithium-ion đã đánh bại các công nghệ cạnh tranh để trở thành công nghệ thống trị trong ô tô điện khi giúp các hãng xe điện cắt giảm rất nhiều chi phí cũng như giải được bài toán trọng lượng tổng thể của xe điện trong thập kỷ qua. Theo công ty tư vấn pin Rho Motion có trụ sở tại London, tổng công suất triển khai toàn cầu của công nghệ này có thể lên tới 1 Twh (Terawatt/giờ) trong năm nay, tương đương với 17 triệu ô tô điện cỡ trung bình.
Khác với pin nikel, pin Lithium-ion đắt tiền hơn nhưng bù lại số lần sạc xả gấp 3 lần so với ắc quy khi sử dụng cho xe điện, nó có tuổi thọ dài hơn, khối lượng nhẹ hơn, thể tích nhỏ hơn và cho phép nạp với tốc độ nhanh hơn rất nhiều. Do bản chất hóa học đặc biệt nên pin Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống các loại ắc quy hay pin nikel khác.
Trong cơ chế hoạt động pin lithium-ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả.
Những đổi mới vật liệu tiên tiến đã dẫn đến nhiều loại pin lithium-ion, không chỉ phục vụ cho các ứng dụng khác nhau mà còn đáp ứng các đặc tính mà nhà sản xuất ô tô hoặc tiện ích mong muốn. Chúng bao gồm chi phí, trọng lượng, phạm vi lái xe, thời gian sạc, số chu kỳ sạc trước khi hỏng hóc và sự an toàn — mối lo ngại ngày càng tăng do hàng loạt vụ cháy do các thiết bị lithium-ion gây ra.
Venkat Srinivasan, giám đốc Trung tâm Hợp tác Khoa học Lưu trữ Năng lượng Argonne, một phần của phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ, cho biết: “Lithi-ion đã cho chúng tôi một nền tảng để khám phá những vật liệu mới có thể đi vào cực dương, cực âm và chất điện phân".
Trong thị trường ô tô điện, hai hóa chất catốt chính đang cạnh tranh nhau: NMC, sử dụng lithium, niken, mangan và coban với số lượng khác nhau, và LFP làm từ lithium, sắt và phốt phát.
Cực dương thường được làm bằng than chì và cho biết pin có thể sạc nhanh như thế nào trong khi cực âm, có nhiều loại vật liệu khác nhau, là yếu tố chính quyết định giá thành của pin và lượng năng lượng mà nó có thể lưu trữ.
CUỘC CHẠY ĐUA CÔNG NGHỆ
Các nhà sản xuất Hàn Quốc LG Energy Solution và Samsung SDI đã rất thành công trong việc sản xuất cực âm NMC, được sử dụng trong phần lớn các loại xe điện được bán ở phương Tây, nơi phạm vi hoạt động xa hơn của chúng phù hợp hơn với thói quen lái xe. Nhưng các công ty Trung Quốc, với công nghệ LFP vẫn chiếm 75% sản lượng toàn cầu, theo dữ liệu của Benchmark.
Trung Quốc gần như chiếm ưu thế hoàn toàn về pin LFP, chiếm 99% sản lượng thế giới. Công nghệ này đã gây bão khắp đất nước nhờ những cải tiến về mật độ năng lượng, mức độ an toàn cao hơn và chi phí thấp hơn so với các tế bào chứa coban và niken, cũng như những đột phá trong sản xuất. Thị phần của LFP trên thị trường Trung Quốc đã tăng từ 18% lên 60% chỉ sau ba năm, Rho Motion ước tính.
Chris Berry, chủ tịch của House Mountain Partners, một công ty tư vấn kim loại pin có trụ sở tại Washington, cho biết: “Người Trung Quốc đã giải mã được LFP.
Cuộc chiến giữa các hóa chất catốt sẽ gây ảnh hưởng lớn đến cung và cầu toàn cầu về lithium, niken, coban và mangan, hỗ trợ hoặc cản trở các quốc gia cung cấp như Indonesia, Cộng hòa Dân chủ Congo và Chile.
Trong khi đó, sự lựa chọn của người tiêu dùng, các chính trị gia và nhà sản xuất ô tô sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc củng cố sự kiểm soát của Trung Quốc đối với thị trường xe điện toàn cầu hoặc nới lỏng nó và có nguy cơ chuyển đổi năng lượng chậm hơn, tốn kém hơn.
Dirk Uwe Sauer, Giáo sư nghiên cứu hệ thống năng lượng và pin tại Đại học RWTH Aachen - Đức cho biết: “1/3 giá trị của một chiếc ô tô điện là pin. “Với việc không kiểm soát được công nghệ này, chúng ta sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong tương lai gần trong một thế giới mà bạn không thể chắc chắn ai sẽ là bạn của mình và giao hàng vào ngày mai.”
Các công ty khởi nghiệp phương Tây đang nghiên cứu phát triển công nghệ LFP của riêng họ trong khi các nhà sản xuất pin Hàn Quốc đang bắt kịp người Trung Quốc. LG Energy Solution, nhà sản xuất pin EV lớn nhất sau CATL của Trung Quốc, đã công bố vào tháng 3/2023 rằng họ sẽ phân bổ 2,3 tỷ USD trong khoản đầu tư sản xuất trị giá 5,5 tỷ USD ở Arizona để sản xuất pin LFP cho các hệ thống lưu trữ năng lượng.
“Bạn đang nói về việc xây dựng cơ sở hạ tầng cho một ngành cần tăng trưởng gấp 10 lần trong vài năm tới,” Michael Finelli, chủ tịch phụ trách các sáng kiến tăng trưởng của Solvay, một nhà cung cấp linh kiện pin, cho biết. “Mặc dù pin chỉ là một thiết bị lưu trữ, nhưng nó là một thành phần quan trọng của quá trình chuyển đổi năng lượng... Những thứ này bây giờ được coi là quốc bảo. Và chắc chắn bạn không muốn là người bị động khi phụ thuộc vào một quốc gia khác.”
Theo Sun Yang-Kook, một chuyên gia về pin tại Đại học Hanyang ở Seoul, các nhà sản xuất ô tô toàn cầu đang yêu cầu các công ty Hàn Quốc sản xuất pin LFP nhưng “Hàn Quốc không thể thắng trong cuộc chiến giá cả với Trung Quốc trong phân khúc này, do sự hậu thuẫn to lớn của nhà nước Trung Quốc”.
Để dẫn đầu về LFP, các nhà sản xuất Trung Quốc đã phát triển các phương tiện sản xuất công nghệ này với giá rẻ và ở quy mô lớn, đặt phương Tây vào tình thế khó khăn.
Ví dụ, Ford đã trở thành trung tâm hứng chịu nhiều chỉ trích của cả người dân và giới chính trị Mỹ sau khi hợp tác với CATL trong một thỏa thuận cấp phép để sản xuất pin LFP ở Mỹ.
PHƯƠNG TÂY TIẾN THOÁI LƯỠNG NAN
Trong những năm tới, pin lithium-ion có thể sẽ trải qua những điều chỉnh để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, chẳng hạn như bằng cách thêm mangan vào cực âm, trộn thêm silicon vào cực dương than chì hoặc tăng niken bằng coban trong các tế bào NMC.
Một số mong đợi sự thay đổi triệt để hơn, lập luận rằng các công nghệ thế hệ tiếp theo như pin natri-ion và thể rắn có thể xâm nhập vào thập kỷ này.
Nhưng Tim Wood-Dow, nhà phân tích hàng đầu về niken và coban tại Trafigura, một trong những nhà giao dịch hàng hóa lớn nhất thế giới, cho biết yếu tố dao động lớn nhất trên thị trường pin trong thập kỷ tới sẽ là hướng đi của phương Tây đối với hai loại catốt chính.
Ông nói: “Đầu tư vào pin đều là NMC ở phía tây, nhưng “có thể sẽ có một sự chuyển đổi đáng kể sang LFP” vào cuối thập kỷ này.
Những người trong ngành pin cho biết, sự lựa chọn của Mỹ và châu Âu cuối cùng thể hiện sự cân bằng mong manh mà phương Tây phải đạt được giữa việc giảm sự phụ thuộc vào Trung Quốc hoặc chấp nhận đó là cái giá phải trả để duy trì khả năng tiếp cận các công nghệ có tính cạnh tranh cao và giá cả phải chăng.
“Vấn đề là làm thế nào để cạnh tranh với Trung Quốc,” Shirley Meng, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Chicago, nói thêm rằng trong khi chính phủ Hoa Kỳ đang nỗ lực giảm sự phụ thuộc của nước này vào quốc gia châu Á thì "Trung Quốc lại có bí quyết" và "Chẳng ích gì khi phát minh lại bánh xe khi người Trung Quốc đã tối ưu hóa quy trình” Shirley Meng nhấn mạnh.
