Trang
Với mật độ năng lượng lý thuyết cao gấp nhiều lần pin hiện nay, pin lithium-air được kỳ vọng tạo bước ngoặt cho ô tô điện. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn khoảng cách lớn trước khi có thể ứng dụng thực tế.
Nội dung chính
Thông tin về loại pin có mật độ năng lượng vượt xa công nghệ hiện tại đang thu hút sự chú ý của ngành ô tô điện. Theo trang công nghệ IT Home của Trung Quốc, pin lithium-air (lithium-không khí) được kỳ vọng mang đến tầm vận hành lên tới 2.000 km, với mật độ năng lượng có thể cao gấp năm lần pin thể rắn.
Đáng chú ý, công nghệ này cũng nằm trong định hướng nghiên cứu dài hạn của CATL - nhà sản xuất pin hàng đầu Trung Quốc. Tại Diễn đàn Equipment Powerhouse 2026, ông Wu Kai - Giám đốc khoa học của CATL - đã đề cập đến lithium-không khí như một trong những hướng phát triển tương lai.
Dù vậy, CATL chưa xác nhận kế hoạch thương mại hóa loại pin này, cũng không công bố mục tiêu sản xuất ô tô điện có khả năng chạy 2.000 km sau mỗi lần sạc. Trong lộ trình hiện tại, pin natri-ion và pin thể rắn hoàn toàn vẫn là những công nghệ được ưu tiên đưa ra thị trường sớm hơn.
Vì sao pin lithium-air có mật độ năng lượng vượt trội?
Khác với pin lithium-ion truyền thống, vốn lưu trữ lithium trong cấu trúc của hai điện cực, pin lithium-air tận dụng oxy từ môi trường bên ngoài để tham gia phản ứng điện hóa.
Cụ thể, hệ thống sử dụng lithium kim loại tại cực âm. Khi pin phóng điện, lithium kết hợp với oxy để tạo thành lithium peroxide (Li₂O₂) trong cấu trúc điện cực xốp. Quá trình sạc sẽ đảo ngược phản ứng, giải phóng oxy và đưa lithium trở lại trạng thái ban đầu.
Do không phải mang theo toàn bộ vật liệu phản ứng ở điện cực dương như pin thông thường, công nghệ này có tiềm năng giảm đáng kể khối lượng lưu trữ năng lượng.
Các tính toán lý thuyết đưa ra con số khoảng 3.505 Wh/kg, cao hơn nhiều so với những loại pin đang được sử dụng trên ô tô điện. Một số mô hình thậm chí đề cập mức gần 12.000 Wh/kg, nhưng cách tính này không bao gồm khối lượng oxy tham gia phản ứng.
Điểm quan trọng là những thông số trên chỉ thể hiện giới hạn năng lượng của phản ứng hóa học, không phải hiệu suất của một bộ pin hoàn chỉnh.
Trong điều kiện thực tế, pin còn cần chất điện phân, điện cực, kết cấu bảo vệ, hệ thống kiểm soát nhiệt độ và thiết bị xử lý không khí. Tất cả đều làm tăng trọng lượng, chiếm không gian và ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành.
Bởi vậy, việc lấy mật độ năng lượng lý thuyết để suy ra quãng đường 2.000 km cho ô tô điện hiện chưa có đủ cơ sở kỹ thuật.
Nhiều bước tiến trong phòng thí nghiệm nhưng chưa thể thương mại hóa
Ý tưởng sử dụng pin lithium-air cho phương tiện giao thông đã xuất hiện từ nhiều năm trước.
Năm 2009, IBM khởi động dự án Battery 500 với tham vọng phát triển bộ pin giúp ô tô điện di chuyển khoảng 805 km sau một lần sạc. Dự án thu hút nhiều đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp tham gia nhưng cuối cùng không tạo ra sản phẩm thương mại.
Những năm gần đây, các nhà khoa học tiếp tục tìm cách giải quyết hạn chế về độ bền, khả năng sạc lại và hiệu quả phản ứng.
Năm 2024, nhóm nghiên cứu liên quan đến Đại học Cát Lâm và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc công bố mẫu pin lithium-air dạng túi, sử dụng chất điện phân polymer tạo gel tại chỗ.
Kết quả thí nghiệm ghi nhận mật độ năng lượng 757,5 Wh/kg. Mẫu pin cũng hoàn thành 241 chu kỳ trong điều kiện thử nghiệm với dòng điện 500 mA/g và dung lượng giới hạn 1.000 mAh/g.
Đây là kết quả đáng chú ý, song chưa thể xem như thông số của bộ pin đạt tiêu chuẩn sử dụng trên ô tô.
Trước đó, năm 2023, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Illinois và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ giới thiệu cấu trúc pin lithium-air thể rắn.
Thay vì tạo lithium peroxide theo cơ chế phổ biến, thiết kế này sử dụng phản ứng bốn electron để hình thành lithium oxide (Li₂O). Trong thử nghiệm ở nhiệt độ phòng, pin đạt ít nhất 1.000 chu kỳ sạc, xả.
Nhóm nghiên cứu ước tính công nghệ có tiềm năng đạt 1.200 Wh/kg. Tuy nhiên, đây vẫn là mức dự báo lý thuyết, không phải mật độ năng lượng đã được xác nhận trên pin thương mại.
Đến năm 2025, nhóm khoa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, trong đó có Giáo sư Peng Tan, tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của khả năng vận chuyển oxy trong chất điện phân.
Thử nghiệm cho thấy điện cực dày có thể xuất hiện những cơ chế phản ứng khác nhau giữa các khu vực do trở lực vận chuyển vật chất. Phát hiện này hỗ trợ tối ưu cấu trúc điện cực, nhưng chưa giải quyết triệt để hiện tượng tắc nghẽn trong quá trình sử dụng.
Ba rào cản lớn khiến pin lithium-không khí khó xuất hiện trên ô tô
Thách thức đầu tiên nằm ở việc cung cấp oxy. Mặc dù tận dụng không khí bên ngoài, pin lại rất nhạy cảm với hơi nước và khí CO₂.
Độ ẩm có thể phản ứng với lithium kim loại, trong khi CO₂ dễ tạo thành lithium carbonate (Li₂CO₃). Các sản phẩm phụ tích tụ trong điện cực xốp sẽ cản trở oxy di chuyển, khiến dung lượng giảm dần.
Do đó, một chiếc ô tô sử dụng pin lithium-air cần hệ thống lọc, kiểm soát độ ẩm và điều phối khí đầu vào.
Nghiên cứu đăng trên Journal of Energy Storage năm 2023 ước tính các thiết bị phụ trợ có thể tiêu thụ khoảng 5,4% năng lượng pin trong một cấu hình xe được đề xuất. Con số này không đại diện cho mọi thiết kế nhưng phản ánh tổn thất năng lượng đáng kể.
Rào cản thứ hai liên quan đến tuổi thọ và hiệu suất sạc. Trong quá trình nạp điện, lithium peroxide phải được phân hủy để khôi phục trạng thái hoạt động. Phản ứng này đòi hỏi năng lượng bổ sung và có thể tạo ra các chất oxy hóa gây hư hại chất điện phân.
Bên cạnh đó, lithium kim loại cũng dễ mất ổn định sau nhiều lần tích tụ và hòa tan. Những biến đổi hóa học kéo dài khiến pin suy giảm khả năng lưu trữ, ngay cả khi mật độ năng lượng ban đầu rất cao.
Tổn thất trong chu trình sạc, xả còn làm phát sinh nhiệt, kéo theo yêu cầu bổ sung hệ thống làm mát.
Vấn đề cuối cùng là khả năng đáp ứng vận hành thực tế. Ô tô điện không chỉ cần pin nhẹ mà còn phải có mật độ năng lượng theo thể tích phù hợp và công suất đầu ra đủ lớn. Đây là những yếu tố quyết định khả năng tăng tốc, vượt xe và duy trì tốc độ cao.
Một bộ pin có năng lượng riêng vượt trội nhưng chiếm nhiều không gian hoặc cung cấp công suất hạn chế vẫn khó đáp ứng yêu cầu của xe du lịch.
Ngay cả phương án đổi pin tại trạm cũng không thể khắc phục tình trạng phân hủy chất điện phân hay những hư hại hóa học không thể đảo ngược.
Với CATL, pin lithium-air có thể trở thành hướng phát triển quan trọng trong dài hạn. Nhưng trước khi công nghệ này được đưa vào xe sản xuất hàng loạt, ngành pin vẫn cần vượt qua hàng loạt giới hạn kỹ thuật mà các nghiên cứu hiện nay chưa giải quyết hoàn toàn.
Trang
cuoituanxemda
Trọng Hiển
Mai Thị Huyền Trâm
NB
Ngọc Thanh
QH
