Vì sao Việt Nam nên phát triển SIBs? (Tiếp theo bài "Công nghệ pin tối ưu cho xe máy điện" kỳ trước)

Gần đây, do thôi thúc của mục tiêu ‘Net Zero’, người ta càng hướng vào pin Na-ion (hay sodium-ion battery – SIB). Lý do là, Li rất hiếm, tập trung chủ yếu ở Chile, Australia, và Trung Quốc, mà việc khai thác nó tác động rất xấu tới môi trường. Trong khi đó, Na rất phong phú, có ở khắp nơi, và quá trình khai thác rất sạch. Mặt khác, cuộc cách mạng ‘Net Zero’ đòi hỏi không chỉ phải điện khí hóa các phương tiện giao thông vận tải, mà trước hết phải phát triển năng lượng sạch (tái tạo).

Đáng quan tâm là, dù chỉ mới được phát triển, SIBs đã thể hiện nhiều tính năng chứng tỏ rằng đây chính là dòng pin tối ưu mà chúng ta đang tìm kiếm cho xe máy điện.

Để phát triển và phân phối năng lượng tái tạo một cách hiệu quả rất cần các trạm lưu giữ năng lượng lớn và an toàn. Pin dùng cho các trạm này không nhất thiết phải có mật độ năng lượng lớn, nhưng phải an toàn, bền và rẻ. Pin có các tính năng này chính là SIBs. Nhu cầu về SIBs cho phát triển và phân phối năng lượng sạch hiện là rất lớn và đó chính là động lực đang thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và phát triển dòng pin này.

Liên quan với bảo vệ môi trường người ta mới đưa ra khái niệm ‘Pin xanh’ (Green Battery), đó là những pin thỏa mãn các điều kiện sau:

1) Vật liệu dùng làm pin được khai thác bằng phương pháp bền vững về môi trường,

2) Quá trình chế tạo pin tác động rất ít tới môi trường, và

3) Có thể tái chế hoàn toàn. Ngoài ra, pin chỉ thực sự xanh nếu điện chứa trong pin cũng là điện xanh (điện tái tạo). Với các tiêu chí này, SIBs đang được xem là ứng viên số một cho vai trò ‘Pin xanh’, trong khi LIBs thì không thể. Nói ‘ứng viên’ bởi còn phụ thuộc vào điện chứa trong pin. Nếu thay xe xăng bằng xe máy điện mà lại dùng điện bẩn, sinh ra từ đốt nhiên liệu hóa thạch, thì thực chất chỉ là thay đổi vị trí thải khí độc từ ống xả của xe xăng sang ống khói của nhà máy điện, một kiểu ‘đánh bùn sang ao’ chẳng có ích gì!

Thế nên, để việc điện khí hóa xe máy / ô-tô thực sự là hữu ích trong bảo vệ môi trường, trước hết phải phát triển năng lượng tái tạo. SIBs + Năng lượng tái tạo = pin xanh!

Vì sao Việt Nam nên sớm gia nhập làn sóng phát triển SIBs? Pin Lithium, pin thể rắn được xác định là một trong 32 sản phẩm công nghệ được ưu tiên phát triển tại Việt Nam. Ưu tiên phát triển pin là một định hướng hoàn toàn chính xác trong bối cảnh này. Chưa kể các thiết bị lớn như trạm lưu giữ và phân phối điện, hay các phương tiện giao thông vận tải, ngay trong đời thường ở mỗi gia đình, chạm vào chỗ nào cũng thấy pin, càng ‘chuyển đổi số’ càng cần nhiều pin, càng ‘thông minh’ càng cần nhiều pin. Với quy mô 100 triệu dân, với các dự án lớn về điện sạch, với cả chục triệu ô tô, xe máy dự định sẽ chuyển đổi từ xăng sang điện, nước ta rất cần sớm phát triển để chủ động nguồn pin. Vấn đề chỉ còn là, với vị thế khởi nghiệp như hiện nay, Việt Nam nên phát triển dòng pin nào trước? Như đã phân tích ở trên, do mật độ năng lượng quá thấp và nhiều yếu điểm khác, chúng ta sẽ không quan tâm đến hai dòng pin cổ lead-acid và NiCd. Chỉ còn LIBs và SIBs.

LIBs đã thống lĩnh thị trường pin suốt ba thập kỷ và, mặc dù công nghệ đang chạm tới giới hạn, dòng pin này có lẽ vẫn tiếp tục giữ vị trí hàng đầu trong 5-10 năm tới, vì hiện vẫn chưa có dòng pin nào có thể thay thế LIBs trong các thiết bị cần mật độ năng lượng cao (thiết bị điện tử di đông, ý tế, quân sự …). Tuy nhiên, nếu Việt Nam khởi nghiệp bằng LIBs thì sẽ gặp các vấn đề nan giải sau:

1) Vì công nghệ LIBs rất phức tạp và đã phát triển đến trình độ rất cao, rất tinh tế, trong khi nền công nghệ / kỹ thuật của ta còn thấp, nên nếu khởi nghiệp với LIBs, chắc chắn ta phải nhập khẩu không chỉ công nghệ, dây chuyền sản xuất, mà cả chuyên gia nữa. Giá thành khởi nghiệp sẽ cực cao, tính bằng đơn vị tỷ USD;

2) Vật liệu của LIBs đắt và phải nhập khẩu nên không thể chủ động;

3) Rất khó có thể nội địa hóa sản phẩm để phục vụ nhu cầu của chính mình;

4) Thị trường LIBs canh tranh rất khốc liệt với những ‘ông vua’ đã ngự trị hàng thập niên. Vả lại, nếu nhập khẩu công nghệ, ta sẽ cần chừng hai năm xây dựng nhà máy, trong hai năm đó công nghệ LIBs của các ‘ông vua’ đã lại cải tiến thêm, công nghệ mà ta nhập đã trở nên lạc hậu rồi, khi đó sản phẩm của ta làm sao cạnh tranh nổi! Hơn nữa, tất cả những lo lắng của người dùng về LIBs (như cháy nổ, đắt, khó tái chế) thì về cơ bản vẫn còn đó.

Thế nếu ở Việt Nam, ai đó có ý định khởi nghiệp bằng SIBs thì sao? có nên thực hiện ý tưởng đó không? Có thể thấy ngay những điểm cộng cơ bản sau:

1) SIBs mới phát triển vài năm gần đây, chưa đòi hỏi quá cao về kỹ thuật chế tạo cũng như kiểm soát quy trình, phù hợp với năng lực công nghệ / kỹ thuật của ta, có thể chủ động tự làm từ đầu, vừa làm vừa học;

2) Vật liệu tại chỗ và rẻ cho phép tối ưu hóa vốn đầu vào, có thể khởi đầu với quy mô nhỏ, với các mẫu pin đơn giản, rồi tự mình phát triển dần lên;

3) Chủ động hướng tới nhu cầu nội địa: lưu trữ và phân phối điện sạch, xe máy điện và các phương tiện giao thông vận tải nội đô khác, thiết bị dân dụng phục vụ vùng sâu vùng xa, hải đảo (Một ví dụ: thật tuyệt nếu 280 trường nội trú vùng biên đang lên kế hoạch xây dựng, hay những hòn đảo xa, được sử dụng hoàn toàn điện mặt trời – điện gió);

4) Dòng SIBs còn mới, tất cả đều đang bắt đầu, cuộc đua còn mở, chưa có các ‘ông vua’, ta có thể cạnh tranh bình đẳng; và

5) Cho dù SIBs dễ tái chế, công nghệ tái chế vẫn phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, một khi nắm được công nghệ chế tạo, sẽ dễ dàng hơn trong chủ động tái chế pin ngay từ đầu. Và trên tất cả, SIBs hóa giải mọi lo lắng của người tiêu dùng về độ an toàn, thời gian nạp điện, vòng đời, giá cũng như khả năng tái chế.

Thêm nữa, theo định hướng của Bộ KH&CN, song song với SIBs dùng LE, rất nên nghiên cứu để có thể sớm phát triển pin Na-ion toàn thể rắn (all solid state sodium-ion batteries – ASSSIB). Kỳ vọng là, ASSSIBs sẽ có những ưu điểm vượt trội so với SIBs dùng LE: mật độ năng lượng cao hơn, thời gian sạc ngắn hơn, vòng đời dài hơn và bền hơn (tương tự như ASSLIBs so với LIBs). Tất cả các công ty, viện nghiên cứu và đại học mà chúng tôi kể ở trên đều đang tập trung cao độ vào nghiên cứu ASSSIBs. Tuy nhiên, không có thông tin cụ thể nào được công bố. Trên các tạp chí lớn chỉ thấy những báo cáo chung chung, kiểu như, có thể chế tạo ASSSIBs với các điện cực bằng vật liệu loại này hay SSE bằng vật liệu loại kia. Đây hiện là địa hạt đầy bí ẩn và bất ngờ cho những ai giàu ý tưởng và đam mê khám phá. Để phát triển hiệu quả ASSSIBs đang rất cần có những phát minh mang tính đột phá.

Trong khi công nghệ LIBs dường như đang chạm tới giới hạn, dòng SIBs mới bắt đầu phát triển và là công nghệ của Tương lai. SIBs là pin xanh, là pin tối ưu cho xe máy điện và các phương tiện giao thông nội đô khác cũng như cho các trạm lưu trữ và phân phối điện sạch. Và, như vậy, SIBs là chìa khóa để đạt được Net Zero. Nước ta cần sớm làm chủ công nghệ pin, mà SIBs là lựa chọn thông minh và tối ưu cho dòng sản phẩm khởi nghiệp. Nếu phát triển SIBs sớm và hiệu quả ta không chỉ làm chủ thị trường pin trong nước, mà còn có thể tạo lập vị thế riêng của mình ít nhất là trong khu vực và, hơn nữa, từ đó có thể vươn lên các dòng pin tiên tiến hơn.

Chú giải và tham khảo:
1. Một bộ pin gồm nhiều cell; Bộ pin của ô-tô điện có thể gồm vài ngàn cell.
2. Mỗi dòng pin này đều có nhiều biến thể, ở đây thảo luận của chúng tôi mang tính đại diện.
3. Các công trình về LIBs của ba nhà khoa học này đã được tặng giải Nobel Hóa học năm 2019.
4.Chẳng hạn, bộ pin NMC532 chứa 8 kg lithium carbonate, 35 kg Ni, 20 kg Mn, và 14 kg Co.
5. Có thể tham khảo bài tổng quan ‘Pin với Vật lý Ngày nay’trong TC. Vật lý Ngày nay của Hội Vật lý Việt Nam, số 2, 2024.
6. Vì SIBs thương mại còn rất mới, nên chưa có thống kê rộng hơn. Số liệu trên Bảng là của loại SIB mang tên Naxtra của CATL.

Giáo sư Nguyễn Văn Liễn
Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam