Trong quá trình khử carbon và điện khí hóa, nhu cầu về các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả và đáng tin cậy đang tăng mạnh. Các giải pháp lưu trữ không chỉ đóng vai trò điều hòa cung – cầu năng lượng mà còn hỗ trợ tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo không ổn định như mặt trời và gió vào lưới điện. Trong đó, pin lithium-ion (Li-ion) đã chiếm ưu thế trên thị trường lưu trữ năng lượng trong hơn một thập kỷ qua nhờ vào mật độ năng lượng cao và giá thành ngày càng giảm. Tuy nhiên, những hạn chế như rủi ro cháy nổ, tuổi thọ giới hạn và chi phí tái chế đã thúc đẩy nhu cầu nghiên cứu các công nghệ thay thế. Trong số đó, pin thể rắn (Solid-State Batteries – SSBs) được đánh giá là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất. SSBs sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất điện phân lỏng như trong pin truyền thống, từ đó cải thiện đáng kể độ an toàn và hiệu suất năng lượng. Bài viết này trình bày một cách toàn diện các đặc điểm công nghệ, xu hướng phát triển, thách thức kỹ thuật – kinh tế và tiềm năng ứng dụng thực tiễn của pin thể rắn.

Nguyên lý và lợi thế của công nghệ pin thể rắn

Pin thể rắn là một dạng tiến hóa của pin lithium-ion, trong đó chất điện phân lỏng dễ bay hơi và dễ cháy được thay thế bằng chất điện phân rắn – thường là vật liệu gốm, thủy tinh hoặc polymer dẫn ion. Cấu trúc cơ bản của SSBs bao gồm ba thành phần chính: cực dương (anode), cực âm (cathode) và chất điện phân rắn. Một trong những đột phá lớn nhất của SSBs là khả năng sử dụng cực dương lithium kim loại thay vì graphite như trong pin Li-ion. Điều này không chỉ làm tăng mật độ năng lượng lý thuyết lên tới 2-3 lần mà còn giảm kích thước và trọng lượng pin – yếu tố then chốt trong các ứng dụng di động và xe điện. Về mặt an toàn, chất điện phân rắn có khả năng chống cháy và hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng. Chúng cũng kháng dendrite – các tinh thể lithium có thể hình thành trong pin truyền thống gây đoản mạch nghiêm trọng. Ngoài ra, SSBs có tiềm năng đạt tuổi thọ cao hơn nhờ giảm thiểu phản ứng phụ giữa chất điện phân và cực điện.

Tình hình nghiên cứu và phát triển trên toàn cầu

Các cường quốc công nghệ lớn như Mỹ, Nhật Bản, Đức và Hàn Quốc đang dẫn đầu trong việc phát triển SSBs. Công ty QuantumScape tại Mỹ đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc thương mại hóa pin thể rắn không chứa cực dương ban đầu (anode-free). Hai công ty Solid Power tại Mỹ và ProLogium tại Đài Loan cũng là các đơn vị đi đầu trong sản xuất thử nghiệm SSBs quy mô lớn. Bên cạnh khu vực tư nhân, các chính phủ cũng triển khai nhiều chương trình tài trợ và ưu đãi thuế nhằm thúc đẩy nghiên cứu SSBs như chương trình Battery Innovation của Liên minh châu Âu hay Sáng kiến lưu trữ năng lượng dài hạn tại Mỹ. Tuy nhiên, việc chuyển giao công nghệ từ phòng thí nghiệm sang sản xuất quy mô lớn vẫn còn gặp nhiều rào cản.

Thách thức trong thương mại hóa và sản xuất đại trà

Dù mang nhiều hứa hẹn, SSBs vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn pin lithium-ion do các thách thức kỹ thuật – kinh tế phức tạp. Một trong những vấn đề quan trọng là hiệu suất truyền dẫn ion của chất điện phân rắn, vốn vẫn thấp hơn so với chất điện phân lỏng. Ngoài ra, sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa chất điện phân rắn và các bề mặt điện cực gây ra điện trở giao diện cao và suy giảm công suất. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách tối ưu cấu trúc vi mô, bổ sung lớp trung gian mềm dẻo hoặc sử dụng các vật liệu composite để cải thiện độ bám dính và tính dẫn điện. Từ góc độ sản xuất, yêu cầu về quy trình kiểm soát độ ẩm, nhiệt độ, và môi trường khí trơ làm tăng chi phí đầu tư thiết bị và vận hành. Ngoài ra, tính đa dạng trong lựa chọn vật liệu cũng dẫn đến sự phức tạp trong chuỗi cung ứng và tiêu chuẩn hóa sản phẩm. Chính vì vậy, giá thành mỗi kWh SSB hiện vẫn cao hơn khoảng 2-3 lần so với pin lithium-ion.

Xu hướng đầu tư, ứng dụng và triển vọng của thị trường pin thể rắn

Trong vài năm qua, ngành công nghiệp pin thể rắn đã chứng kiến làn sóng đầu tư mạnh mẽ từ các tập đoàn công nghệ và ngành ô tô. Toyota đã đầu tư hàng tỷ USD vào SSBs và dự kiến tích hợp loại pin này trong xe điện hybrid vào cuối thập kỷ này. Samsung và Hyundai cũng đang đẩy mạnh các trung tâm R&D về công nghệ điện phân rắn. Các quỹ đầu tư mạo hiểm và tổ chức nghiên cứu như ARPA-E (Mỹ), Fraunhofer (Đức) và AIST (Nhật) đang tạo cầu nối giữa khối học thuật và doanh nghiệp. Một số mô hình hợp tác công – tư đã chứng minh hiệu quả trong việc rút ngắn thời gian phát triển và kiểm định công nghệ mới. Ngoài ra, các quốc gia cũng đang thiết lập liên minh chiến lược về nguồn cung nguyên liệu hiếm để đảm bảo tính độc lập và ổn định của ngành pin trong tương lai.

Mặc dù chưa phổ biến rộng rãi, SSBs đang được thử nghiệm trong nhiều ứng dụng đòi hỏi mật độ năng lượng cao và an toàn tuyệt đối. Trong ngành xe điện, SSBs có thể mang lại thời gian sạc ngắn hơn, phạm vi hoạt động lớn hơn và giảm yêu cầu hệ thống làm mát. Trong lĩnh vực hàng không và không gian, các công ty như Airbus và NASA đã nghiên cứu sử dụng SSBs cho tàu bay không người lái và vệ tinh. Đối với lưu trữ năng lượng quy mô lưới, SSBs có khả năng cải thiện chu kỳ sạc/xả, giảm nguy cơ cháy nổ và kéo dài tuổi thọ vận hành. Theo báo cáo của IDTechEx và BloombergNEF, thị trường SSBs có thể đạt mốc 26–30 tỷ USD vào năm 2030, chủ yếu nhờ vào sự bùng nổ của ngành ô tô điện và chính sách khuyến khích công nghệ sạch. Tuy nhiên, mức tăng trưởng phụ thuộc lớn vào khả năng giảm chi phí, nâng cao hiệu suất và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật trong chuỗi cung ứng.

Kết luận

Pin thể rắn đại diện cho thế hệ tiếp theo của công nghệ lưu trữ năng lượng, với tiềm năng thay đổi cục diện ngành điện di động và năng lượng tái tạo. Sự kết hợp giữa mật độ năng lượng cao, độ an toàn vượt trội và tuổi thọ dài khiến SSBs trở thành trọng tâm trong chiến lược đổi mới sáng tạo của nhiều quốc gia và doanh nghiệp. Tuy nhiên, để hiện thực hóa tiềm năng đó, ngành công nghiệp cần vượt qua các rào cản về vật liệu, sản xuất, tiêu chuẩn hóa và chuỗi cung ứng. Việc tiếp tục đầu tư R&D, thúc đẩy hợp tác liên ngành và xây dựng chính sách hỗ trợ toàn diện sẽ đóng vai trò thiết yếu trong việc thúc đẩy thương mại hóa pin thể rắn ở quy mô toàn cầu.

‍