Phát minh về pin polymer, chi phí sản xuất rẻ hơn lithium-ion gấp 10 lần

Ông Hideaki Horie, cựu kỹ sư của hãng xe Nissan, nhà sáng lập APB Corp. chuyên nghiên cứu công nghệ pin polymer (All-Polymer Batteries), giống như cái tên công ty, vừa tuyên bố rằng ông cùng các đồng sự đã phát minh loại pin mới có giá thành sản xuất hàng loạt thấp hơn 90% so với loại pin phổ biến nhất hiện giờ, lithium-ion.

Vào đầu năm nay, APB Corp. đã nhận được sự ủng hộ từ một nhóm các tập đoàn lớn của Nhật Bản, trong đó có Obayashi Corp, công ty sản xuất thiết bị công nghiệp Yokogawa Electric Corp. và nhà sản xuất sợi carbon Teijin Ltd.


Hideaki Horie

Bản thân ông Horie cũng chính là một trong những người đầu tiên đặt nền móng cho pin lithium-ion trở nên phổ biến như ngày hôm nay. Nhưng bộ não không ngừng sáng tạo và đổi mới của người Nhật Bản có thể sắp đem một kỷ nguyên mới đến với các thiết bị công nghệ, điện tử tiêu dùng và cả xe hơi chạy bằng điện nữa.

Trong một cuộc phỏng vấn, ông Horie nói rằng, "Vấn đề của pin lithium-ion hiện giờ là nó được sản xuất trên tiến trình giống hệt như chip bán dẫn. Mục tiêu của chúng tôi là tinh giảm quá trình đó để pin có thể được sản xuất với năng suất cao như luyện thép".

Quá trình tạo ra một viên pin lithium-ion hết sức phức tạp và đắt đỏ, yêu cầu điều kiện hoàn toàn sạch, cần cả khóa để kiểm soát độ ẩm không khí, lọc không khí thường xuyên và cần mức độ chính xác rất cao để cho những hợp chất có khả năng phản ứng mạnh không bị vấy bẩn, ảnh hưởng đến hiệu năng của pin. Những dây chuyền này phức tạp đến độ chỉ có vài ông lớn như LG Chem Ltd, CATL của TQ hay Panasonic Corp mới đủ khả năng xây dựng những dây chuyền tối tân như vậy.

Làm thế nào mà pin polymer có giá thành rẻ như vậy?

Bước đột phá mà Horie cùng các đồng sự tạo ra với pin polymer là thay thế những linh kiện căn bản trong pin lithium-ion, các cực kim loại và chất lỏng điện giải, bằng việc kết cấu polymer từ resin nhân tạo. Theo nhà phát minh người Nhật này, giải pháp này giúp đơn giản hóa và tăng tốc độ sản xuất lên rất nhiều, thậm chí ông so sánh việc sản xuất pin polymer "dễ như phết bơ lên bánh mì". Kỹ thuật mới này cho phép những tấm pin dài 10 mét có thể đặt chồng lên nhau nhiều lớp để tăng thời gian pin được sử dụng.



Điều quan trọng nhất là, khi bị tác động vật lý bên ngoài làm biến dạng hoặc chọc thủng, pin polymer không gây cháy nổ như loại pin lithium-ion.

Hồi tháng 3 vừa qua, APB Corp. nhận được một khoản đầu tư 74 triệu USD, con số rất nhỏ nếu so sánh với thị trường pin lithium-ion, nhưng cũng quá đủ để giúp họ triển khai một nhà máy sản xuất pin polymer công suất lớn vào đầu năm sau.

Pin lithium-ion đã có những bước phát triển đáng kể từ khi nó được giới thiệu và thương mại hóa hơn 3 thập kỷ trước. Dung tích pin đã tăng mạnh, công suất cũng cao hơn và chi phí sản xuất cũng giảm đi 85% so với 10 năm về trước, từ đó trở thành một trong những thứ thúc đẩy sự phát triển của smartphone, máy tính bảng với cấu trúc càng lúc càng mạnh mẽ. Nhưng yếu tố an toàn vẫn là thứ gây lo ngại, khi chúng được trang bị trong smartphone, trong xe hơi điện cho đến cả máy bay vận chuyển hành khách.



Ông Horie nói rằng, "Xét theo khía cạnh vật lý, pin lithium-ion là chiếc máy sưởi tuyệt vời nhất mà loài người từng chế tạo ra".
Lý do là trong pin truyền thống, khi có tác động ngoại lực khiến cho pin bị thủng, khu vực bị ảnh hưởng có thể tạo ra tình trạng đoản mạch và khiến cho cường độ dòng điện tăng lên hàng trăm Ampere, cao hơn rất nhiều so với cường độ dòng điện đang sử dụng ở nhà, riêng nhiệt độ có thể tăng lên đến ngưỡng 700 độ C, dẫn tới sự cháy nổ. Trong khi đó pin polymer của APB không gặp phải tình trạng này vì sử dụng thiết kế lưỡng cực, giúp toàn bộ bề mặt của pin hấp thụ điện năng trong trường hợp áp tải điện quá cao.

Mitalee Gupta, nhà phân tích tại Wood Mackenzie cho rằng: "Vì những trục trặc kỹ thuật đã từng xảy ra, nên ngành công nghiệp năng lượng hiện nay rất đề cao mức an toàn hơn bất cứ thứ gì khác. Đây rất có thể là bước đột phá cho cả ngành xe hơi điện, nếu APB có thể nâng mức quy mô sản phẩm lên đủ nhanh".

An toàn hơn nhưng công suất sẽ thấp hơn

Công nghệ pin polymer có thể rẻ hơn và an toàn hơn lithium-ion, nhưng cũng ẩn chứa nhược điểm cố hữu. Polymer không có khả năng dẫn điện tốt như kim loại, và nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của pin. Thiết kế lưỡng cực, những tấm pin mỏng được kết nối rồng rắn với nhau và xếp gọn trong hộp chứa. Thiết kế này sẽ khiến cho việc kiểm soát từng tấm pin đơn lẻ trở nên rất khó khăn. Thêm nữa, chi phí sản xuất dù giảm tới 90%, nhưng nếu công suất không đủ thì cũng sẽ rất khó cạnh tranh và thay thế pin lithium-ion.

Manahem Anderman, chủ tịch Total Battery Consulting Inc. nhận định rằng: "Chi phí sẽ không phải thứ khiến cho pin lithium-ion ngừng tồn tại. Những cục pin lithium-ion với chất lỏng điện giải vẫn sẽ là nguồn cấp năng lượng cho các thiết bị và phương tiện trong hơn 15 năm nữa. Tuy nó không hoàn hảo và không rẻ, nhưng công nghệ này sẽ được hoàn thiện tốt hơn trong tương lai".



Ông Horie thừa nhận rằng, APB không thể cạnh tranh được với những gã khổng lồ trong ngành pin lithium-ion như LG Chem hay Panasonic, vốn đang thu lợi nhuận lớn sau khi đầu tư hàng trăm tỷ USD cho các dây chuyền sản xuất để kiếm lời nhờ quy mô kinh tế lớn.

Thay vì thuyết phục Tesla hay NIO sử dụng pin polymer thay cho lithium-ion, ban đầu APB sẽ tập trung vào những hệ thống pin trữ năng lượng dùng trong các tòa nhà, văn phòng và nhà máy điện.

Thị trường nói trên sẽ đạt ngưỡng giá trị 100 tỷ USD vào năm 2025, cao gấp 5 năm so với năm 2019, theo ước tính của Wood Mackenzie.

Nhà sáng chế từng giúp pin lithium-ion trở nên phổ biến rộng rãi

Năm nay ông Horie 63 tuổi, và đã có công lớn đưa pin lithium-ion trở thành món đồ phổ biến trong các thiết bị như ngày hôm nay. Tháng 2/1990, khi bắt đầu sự nghiệp của mình tại Nissan, ông đã bắt đầu những nghiên cứu rất quan trọng của mình về khả năng của xe hơi điện và xe hybrid. Chỉ vài tuần sau, Sony khiến cả ngành công nghiệp điện tử choáng váng khi từ bỏ công nghệ pin nickel-hydride để phát triển công nghệ pin lithium-ion. Ngay khi ấy, ông Horie đã nhận ra tiềm năng của công nghệ pin này và tạo nỗ lực cho cả Nissan lẫn Sony cùng làm việc trực tiếp với nhau để nghiên cứu về công nghệ pin lithium-ion.



Nhưng cho đến năm 2000, Nissan đã từ bỏ nỗ lực nghiên cứu sau khi việc kinh doanh bết bát khiến cho họ được tập đoàn Renault của Pháp giải cứu. Khi ấy Horie có một cơ hội lớn để thuyết phục sếp mới chính là Carlos Ghosn rằng việc đầu tư vào xe chạy điện là điều nên làm. Sau bài thuyết trình dài gần nửa tiếng đồng hồ, Ghosn hào hứng ra mặt, khen ngợi công trình nghiên cứu của Horie và bật đèn xanh cho dự án phát triển xe hơi điện. Hậu quả là, Nissan Leaf trở thành chiếc xe hơi điện bán chạy nhất trong cả thập kỷ qua.


Nissan Leaf

Khi vẫn còn ở hãng Nissan, ông Horie đã nghĩ ra ý tưởng pin chỉ dùng chất liệu polymer, nhưng không thể xin được sự trợ giúp tài chính để biến ý tưởng này thành hiện thực.

Đến năm 2012, khi đang giảng dạy ở đại học Tokyo, ông được Sanyo Chemical Industries tiếp cận. Công ty này nổi tiếng nhất với việc tạo ra những chất liệu sợi tổng hợp siêu thấm hút, dùng trong… lót tả em bé. Sau đó Horie cùng Sanyo cùng phát triển ra cục pin sử dụng chất liệu dẫn điện polymer dạng gel đầu tiên trên thế giới. Đến năm 2018, Horie mở công ty APB và Sanyo Chemical Industries trở thành nhà đầu tư đầu tiên của công ty này.

Theo Bloomberg