CATL nghiên cứu loại pin 'khủng' giúp xe điện chạy được 2.000km mỗi lần sạc

Báo cáo của trang công nghệ Trung Quốc IT Home được Tạp chí Car News China dẫn lại mới đây đã làm nóng những kỳ vọng về pin lithium-air (pin lithium không khí). Loại pin sử dụng oxy từ môi trường bên ngoài tham gia vào phản ứng điện hóa để tạo ra năng lượng đang được hãng CATL phát triển.

Theo các tính toán lý thuyết, công nghệ này có thể đạt năng lượng riêng khoảng 3.505 Wh/kg, cao hơn đáng kể so với các loại pin lithium-ion đang được sử dụng phổ biến trên ô tô điện. Một số nhận định thậm chí cho rằng pin lithium-air có tiềm năng đạt mật độ năng lượng gấp 5 lần pin thể rắn, qua đó giúp xe điện đạt phạm vi hoạt động lên tới 2.000km mỗi lần sạc.

Tuy nhiên, đó chỉ là trên lý thuyết. Con số 3.505 Wh/kg phản ánh năng lượng riêng của phản ứng hóa học, không phải thông số của một bộ pin hoàn chỉnh có thể lắp đặt trên ô tô. Khi tính đến điện cực, chất điện phân, hệ thống bảo vệ và các thiết bị phụ trợ, trọng lượng cũng như thể tích của bộ pin sẽ tăng lên đáng kể.

Thông tin về việc CATL quan tâm đến công nghệ này xuất phát từ phát biểu của Wu Kai, Kỹ sư trưởng của hãng, tại Diễn đàn Equipment Powerhouse năm 2026. Ông xác định pin lithium-air là một trong những hướng nghiên cứu dài hạn của nhà sản xuất pin Trung Quốc.

Dù vậy, trong lộ trình phát triển công nghệ pin, CATL vẫn ưu tiên những giải pháp có triển vọng thương mại hóa gần hơn, gồm pin natri-ion và pin thể rắn toàn phần. Pin lithium-air hiện vẫn nằm ở giai đoạn nghiên cứu dài hạn. Hãng chưa công bố mục tiêu đưa xe điện có tầm hoạt động 2.000km ra thị trường, cũng chưa đưa ra thời điểm thương mại hóa loại pin này.

Pin lithium-air hoạt động như thế nào?

Điểm khác biệt lớn nhất của pin lithium-air so với pin lithium-ion thông thường nằm ở cách thức tham gia của các chất phản ứng.

Với pin lithium-ion đang được sử dụng rộng rãi trên ô tô điện, lithium được lưu trữ trong hai điện cực. Trong quá trình sạc và xả, các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực dương và cực âm thông qua chất điện phân để tạo ra dòng điện.

Trong khi đó, pin lithium-air sử dụng lithium kim loại làm điện cực âm, còn oxy lấy trực tiếp từ không khí bên ngoài đóng vai trò chất phản ứng ở điện cực dương. Nhờ không phải mang theo toàn bộ vật liệu chứa chất phản ứng như những loại pin thông thường, công nghệ này có tiềm năng đạt năng lượng riêng rất cao.

Khi pin phóng điện, lithium phản ứng với oxy để tạo thành lithium peroxide (Li₂O₂) bên trong điện cực xốp. Khi sạc, phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại, giải phóng oxy và đưa các ion lithium trở về điện cực âm.

Việc tận dụng oxy trong môi trường thay vì lưu trữ toàn bộ chất phản ứng trong cấu trúc điện cực là yếu tố tạo nên lợi thế về năng lượng riêng của pin lithium-air. Tuy nhiên, chính đặc điểm này cũng khiến công nghệ trở nên phức tạp hơn khi đưa vào sử dụng thực tế khi khó kiểm soát được độ ẩm và các tạp chất trong không khí.

Đáng chú ý, con số 3.505 Wh/kg thường được nhắc đến là mức năng lượng riêng lý thuyết của phản ứng giữa lithium và oxy tạo thành lithium peroxide, có tính đến khối lượng oxy tham gia phản ứng. Một số phép tính khác đưa ra con số gần 12.000 Wh/kg, nhưng sử dụng thuật toán khác, không tính khối lượng oxy.

Cả hai mức năng lượng này đều không đại diện cho khả năng lưu trữ điện của một bộ pin ô tô hoàn chỉnh. Trên thực tế, bộ pin còn phải có chất điện phân, các lớp điện cực, bộ phận bảo vệ và hệ thống quản lý không khí. Những thành phần này làm tăng đáng kể trọng lượng và thể tích, khiến mật độ năng lượng thực tế thấp hơn nhiều so với con số lý thuyết.

Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã ghi nhận một số tiến bộ đáng chú ý. Năm 2024, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Cát Lâm và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc công bố kết quả thử nghiệm một cấu hình pin lithium-air dạng túi, sử dụng chất điện phân polymer dạng gel được hình thành ngay trong quá trình chế tạo.

Thiết kế này đạt năng lượng riêng 757,5 Wh/kg và chứng minh được 241 chu kỳ hoạt động trong những điều kiện thử nghiệm cụ thể, với mật độ dòng điện 500 mA/g và dung lượng 1.000 mAh/g. Đây là kết quả đáng chú ý trong nghiên cứu vật liệu pin.

Một hướng nghiên cứu khác được các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Illinois và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (Mỹ) công bố trên tạp chí Science năm 2023. Nhóm nghiên cứu phát triển cấu trúc pin lithium-air thể rắn, sử dụng phản ứng bốn electron để tạo thành lithium oxide (Li₂O) thay vì lithium peroxide như cơ chế phổ biến.

Mẫu pin này đã hoàn thành ít nhất 1.000 chu kỳ sạc-xả ở nhiệt độ phòng. Mật độ năng lượng lý thuyết được ước tính khoảng 1.200 Wh/kg.

Những kết quả trên cho thấy pin lithium-air đã có những bước tiến vượt ra ngoài các tính toán lý thuyết ban đầu. Tuy nhiên, sự khác biệt về thành phần hóa học, điều kiện vận hành và phương pháp đo khiến các kết quả chưa thể so sánh trực tiếp. Quan trọng hơn, chưa có nghiên cứu nào tạo ra được một bộ pin lithium-air đáp ứng đầy đủ yêu cầu để đưa lên ô tô chở khách và sản xuất hàng loạt.

Ba rào cản khiến pin lithium-air chưa thể lên ô tô

Thực tế, ngành công nghiệp đã nghiên cứu pin lithium-air từ nhiều năm trước khi CATL quan tâm đến công nghệ này. Năm 2009, IBM khởi động dự án Battery 500 với mục tiêu phát triển pin kim loại-không khí đủ khả năng giúp ô tô điện di chuyển 500 dặm (khoảng 805km) sau mỗi lần sạc. Dự án có sự tham gia của nhiều đối tác nghiên cứu và công nghiệp, nhưng cuối cùng không tạo ra được loại pin ô tô thương mại.

Theo các nghiên cứu hiện nay, pin lithium-air vẫn phải vượt qua ít nhất 3 rào cản lớn.

Thứ nhất là hệ thống quản lý không khí. Do sử dụng oxy từ môi trường, loại pin này phải được thiết kế để tiếp nhận oxy nhưng ngăn chặn hơi ẩm và khí CO₂ xâm nhập. Đây là hai tác nhân có thể gây ra những phản ứng phụ, làm suy giảm các thành phần bên trong pin.

Hơi ẩm có thể phản ứng trực tiếp với lithium kim loại, trong khi CO₂ có thể tạo thành lithium carbonate (Li₂CO₃). Những chất này tích tụ bên trong điện cực xốp, cản trở quá trình vận chuyển oxy và làm giảm dung lượng pin có thể sử dụng.

Một nghiên cứu năm 2023 đăng trên Journal of Energy Storage đã đề xuất hệ thống cân bằng cơ khí cho xe sử dụng pin lithium-air. Trong cấu hình được nghiên cứu, các thiết bị phụ trợ có thể tiêu thụ khoảng 5,4% năng lượng của bộ pin. Dù con số này phụ thuộc vào thiết kế cụ thể, nó cho thấy việc vận hành một hệ thống pin sử dụng oxy từ môi trường không hề đơn giản.

Thứ hai là khả năng sạc lại và độ bền. Trong quá trình phóng điện, lithium peroxide hình thành bên trong điện cực. Khi sạc, hợp chất này phải được phân hủy để giải phóng oxy và đảo ngược phản ứng hóa học. Quá trình này đòi hỏi năng lượng bổ sung, đồng thời có thể tạo ra các gốc oxy có hoạt tính cao, gây tổn hại đến chất điện phân và những thành phần khác của pin.

Các phản ứng phụ tích tụ theo thời gian khiến dung lượng pin suy giảm, hạn chế số chu kỳ sạc-xả. Bên cạnh đó, điện cực âm bằng lithium kim loại cũng gặp vấn đề về độ ổn định khi lithium liên tục được lắng đọng và tách ra trong các chu kỳ sạc-xả.

Điều đó đồng nghĩa một bộ pin có mật độ rất cao chưa chắc duy trì được hiệu suất ổn định sau hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lần sạc. Hiệu suất sạc-xả thấp còn khiến xe cần tiêu thụ nhiều điện hơn để đạt cùng một quãng đường di chuyển.

Thứ ba là mật độ năng lượng không phải yếu tố duy nhất quyết định khả năng vận hành của ô tô điện.

Trong công nghệ pin, năng lượng riêng thể hiện lượng năng lượng lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng, còn mật độ năng lượng thể tích cho biết lượng năng lượng có thể lưu trữ trong một đơn vị không gian. Bên cạnh đó, mật độ công suất quyết định khả năng cung cấp năng lượng nhanh hay chậm của pin.

Một mẫu xe điện cần đáp ứng đồng thời cả ba yếu tố. Bộ pin không chỉ phải lưu trữ được nhiều năng lượng mà còn phải cung cấp đủ công suất khi tăng tốc, vượt xe hoặc vận hành liên tục. Đồng thời, nó phải có kích thước phù hợp với khoang chứa pin và không làm ảnh hưởng quá lớn đến trọng lượng tổng thể của phương tiện.

Do đó, ngay cả khi pin lithium-air đạt năng lượng riêng vượt trội không đồng nghĩa xe điện có thể tự động đạt phạm vi hoạt động 2.000km.

Với CATL, ưu tiên trong giai đoạn gần vẫn là phát triển pin natri-ion và pin thể rắn toàn phần, những công nghệ có lộ trình thương mại hóa rõ ràng hơn. Trong khi đó, pin lithium-air cần thêm nhiều đột phá về độ bền, công suất, khả năng quản lý không khí, hiệu suất sạc-xả và thiết kế hệ thống hoàn chỉnh.

Như vậy, kỳ vọng xe điện chạy 2.000km sau mỗi lần sạc nhờ pin lithium-air hiện vẫn dừng ở mức tiềm năng lý thuyết. Công nghệ này sở hữu lợi thế đáng kể về năng lượng riêng, nhưng để biến con số ấn tượng trên giấy thành một bộ pin có thể sử dụng bền bỉ, an toàn và hiệu quả trên ô tô vẫn là bài toán rất khó.