Tháng Tư vừa rồi, Elon Musk hứa hẹn về pin năng lượng cho phép xe điện chạy được tới 1 triệu dặm (tương đương 1,6 triệu kilomet) mới hỏng. Thời điểm ông đưa ra tuyên bố đó, toàn giới ô tô tỏ vẻ hoài nghi bởi lẽ công nghệ này quá tốt để mà có thể có thực. Con số 1 triệu dặm hơn gấp đôi tổng số dặm một chiếc Tesla trung bình có thể đi với pin hiện tại, mà với công nghệ của Tesla ở thời điểm này, họ đã vượt mặt đa số các hãng xe điện trên thế giới.
Nhưng hóa ra Elon Musk nói thật.
Đàu tháng Chín này, một nhóm nghiên cứu pin tại Đại học Dalhousie công bố báo cáo khoa học mới trên tạp chí The Journal of the Electrochemical Society, mô tả công nghệ pin “có thể vận hành một chiếc xe điện trong suốt 1 triệu dặm”.
Jeff Dahn là nhà khoa học dẫn dắt nghiên cứu mới, và danh tiếng “một trong những nhà nghiên cứu pin lithium-ion lỗi lạc nhất” chắc chắn nói lên nhiều điều. Nhóm các nhà nghiên cứu ở Dalhousie công bố rằng công nghệ pin mới vượt mặt bất kỳ những pin li-ion tương tự nào từng xuất hiện trước đây, và rằng đây sẽ là “xương sống” cho taxi tự hành và xe tải đường dài, hai sản phẩm đang được Tesla phát triển.
Còn một điều đáng chú ý khác nữa: tác giả nghiên cứu không tung hô công nghệ pin mới là một đột phá. Họ cho rằng đây là giới hạn mới của pin, một cột mốc mà các nhà nghiên cứu khác cần tìm cách vượt qua. Báo cáo khoa học của họ cũng không bỏ sót bất cứ chi tiết nào, họ nêu cụ thể những điểm khiến công nghệ mới khác biệt.
“Tất cả những chi tiết về pin bao gồm kết cấu cực, cách nạp năng lượng, chất điện phân, phụ gia làm pin, v.v… đều được ghi rõ”, báo cáo khoa học viết. “Những chi tiết này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu khác có thể tái tạo pin này và dựa vào nó để phát triển pin cho riêng mình”.
Tại sao đây lại là điều đáng nói? Trong ngành xe điện, cách làm pin vốn là bí mật kinh doanh, bởi ai cũng muốn làm tiền bằng công nghệ độc quyền. Vậy tại sao nhóm nghiên cứu của ông Dahn, nhóm đã ký hợp đồng cộng tác độc quyền với Tesla hồi 2016 lại công bố công thức tạo ra phép màu?
Theo lời một cựu thành viên trong đội ngũ của ông Dahn, nhiều khả năng là vì Tesla đã sở hữu một công nghệ pin tương tự, vượt mặt cả pin được nêu trong báo cáo nghiên cứu mới. Không ngoài dự đoán, không lâu sau khi báo cáo khoa học được đăng tải, Tesla đăng ký bằng sáng chế một công nghệ pin li-ion mới, có cấu trúc tương tự những gì được mô tả trong báo cáo khoa học.
Ông Dahn từ chối bình luận, nhưng giấy trắng mực đen vẫn là sự thật hiển nhiên: bằng sáng chế pin mới của Tesla nêu tên nhà nghiên cứu lỗi lạc dưới danh nghĩa một trong những người phát minh ra pin mới.
Báo cáo mô tả pin lithium-ion mới sử dụng lithi kền mangan cobalt o-xít (NMC) để làm cực dương, graphite nhân tạo để làm cực âm. Chất điện phân nằm giữa hai cực, lãnh trách nhiệm truyền ion của lithi được làm từ muối lithi trộn với nhiều thành phần khác.
Khoa học vốn vẫn biết NMC và graphite có khả năng tăng mật độ năng lượng cũng như tuổi thọ của pin li-ion. Cách từng công ty trộn chất điện phân và các chất phụ gia mới là yếu tố bí ẩn, phụ thuộc vào cách làm pin của từng doanh nghiệp ô tô. Dù vậy, những chất được liệt kê trong báo cáo nghiên cứu đều là những gương mặt quen thuộc trong ngành. Theo lời Matt Lacey, chuyên gia pin li-ion không góp mặt trong nghiên cứu, thì “chẳng có bí mật nào trong thứ ‘công thức bí mật’ mới được công bố cả”.
Thay vì sử dụng một thành phần bí mật nào, Dahn và đội ngũ của ông tối ưu hóa những yếu tố hóa học sẵn có, thay đổi chút cấu trúc nano của cực dương. Thay vì sử dụng tinh thể NMC trong cực dương, pin mới sử dụng một tinh thể có kích cỡ lớn hơn. Theo lời các nhà nghiên cứu, cấu trúc “tinh thể đơn” này sẽ khó nứt vỡ trong quá trình sạc; chính những vết nứt xuất hiện lúc sạc sẽ giảm tuổi thọ cũng như hiệu năng pin.
Đội ngũ của ông Dahn lãnh trách nhiệm tạo ra một loại pin li-ion có thể chứa nhiều năng lượng hơn, tuổi thọ cao hơn pin trên thị trường. Khi lắp vào xe điện, những con số trên báo cáo khoa học sẽ phải biến chuyển thành quãng đường chạy trong mỗi lần sạc, số vòng sạc có thể có trước khi pin trở nên vô dụng.
Nói một cách đơn giản, ta phải đánh đổi giữa mật độ năng lượng của pin và tuổi thọ của pin. Nhóm nghiên cứu phải tìm ra cách để có được cả hai, một nhiệm vụ nghe chừng bất khả thi.
Mật độ năng lượng trong pin li-ion là một trong những phẩm chất làm nên thương hiệu xe điện Tesla. Khách hàng muốn một chiếc xe có thể chạy thoải mái chỉ với một lần sạc đầy, những mẫu xe điện mới của Tesla đã có thể chạm mốc gầm 600 km/lần sạc, hơn hẳn những mẫu xe điện khác trên thị trường.
Thực tế, khảo sát cho thấy người dùng xe điện chỉ dùng hết ¼ lượng điện của xe mỗi ngày, nhưng bài toán này sẽ khác khi đưa ẩn số mới vào, những ẩn số mang tên taxi tự hành hay xe tải đường dài. Tesla cần một công nghệ pin có khả năng vận hành suốt một ngày.
Vấn đề nan giải xuất hiện, nếu liên tục sạc và xả pin ở mức tối đa hàng ngày, tốc độ xuống cấp của pin cũng tăng. Tuổi thọ trung bình của pin Tesla hiện tại, khoảng từ 480.000-800.000km, không đủ cho hai phương tiện mà Elon Musk muốn nhắm tới. Đó là lý do tại sao họ cần pin chạy được 1 triệu dặm rồi mới “chết”.
Shirley Meng, người điều hành Phòng thí nghiệm Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng thuộc Đại học San Diego nói rằng nhiều doanh nghiệp xe điện đang gắng kiếm tìm pin với lượng kền nhiều hơn mức được mô tả trong báo cáo khoa học của Dahn. Bằng cách đó, họ muốn tăng mật độ năng lượng trong pin. Giáo sư Meng nói rằng bước tiếp theo sẽ là “hợp thể” thiết kết với mật độ năng lượng cao với cách trộn chất điện phân tối ưu nhất có thể.
Chưa rõ công thức mà nhóm nghiên cứu của ông Dahn sẽ chính là công nghệ ngành xe điện nói riêng và toàn ngành năng lượng nói chung đang chờ đợi.
Nhưng cứ nghĩ đơn giản trước đã: sớm nhất là năm sau, Tesla sẽ công bố xe điện mới với pin mạnh mẽ hơn bao giờ hết.
Tham khảo Wired