Vào đầu tháng này, LG Energy Solution thông báo rằng họ dự định thương mại hóa công nghệ phủ khô (dry-coating technology) vào năm 2028, công nghệ này nhằm thay thế quy trình ướt tiêu tốn năng lượng cao trong sản xuất điện cực âm và dương.
Điện cực âm và dương là các thành phần quan trọng trong pin xe điện, nếu phương pháp này khả thi, chi phí sản xuất pin có thể giảm tới 30%, điều này hứa hẹn sẽ làm giảm giá mỗi chiếc xe điện hàng ngàn nhân dân tệ.
Trong bối cảnh hiện nay khi yêu cầu về chi phí, hiệu năng và môi trường cho xe điện ngày càng cao, thông tin này đã gây ra một làn sóng trong ngành công nghiệp.
Tuy nhiên, Tesla là nhà sản xuất ô tô đầu tiên áp dụng công nghệ này vào quy trình sản xuất pin mới. Musk từng nói rằng, phủ khô là một công nghệ cách mạng và là một trong những phần quan trọng để giảm chi phí pin lithium.
Thách thức lớn nhất đối với việc sản xuất pin lithium quy mô lớn là sự đột phá trong công nghệ phủ khô.
Chính vì vậy, công nghệ phủ khô được xem là một kẻ phá vỡ quy tắc trong ngành pin. Ngoài Tesla và LG, các công ty như Samsung SDI, Volkswagen, SK On, BMW, Panasonic, cùng với các công ty trong nước như CATL, A123 và Honeycomb đều đang nghiên cứu phát triển công nghệ phủ khô.
Tuy nhiên, không ai ngờ LG lại là công ty đầu tiên công bố thời gian biểu thương mại quy mô lớn. Hơn nữa, LG là một trong những nhà cung cấp pin cho Tesla, từ tháng 8 năm nay, họ sẽ cung cấp pin lớn 4680 cho Tesla, giúp giải quyết vấn đề công suất sản xuất pin của Tesla.
Trùng hợp thay, ngay sau khi thông tin về công nghệ phủ khô của LG được công bố, Tesla cũng bị rò rỉ kế hoạch sản xuất hàng loạt pin 4680 hoàn toàn sử dụng điện cực khô vào cuối năm nay, và điều này sẽ là phiên bản “hoàn chỉnh” của pin 4680.
Sau khi công nghệ được định hình, Tesla sẽ tập trung nâng cao tỷ lệ sản xuất và hiệu suất, mở rộng công suất, điều này cũng sẽ hoàn toàn thay đổi Tesla.
Cuộc cạnh tranh bắt đầu tăng tốc, ai sẽ trở thành kẻ phá vỡ thực sự đầu tiên?
Nhiều thách thức của công nghệ khô.
Sản xuất điện cực là công đoạn cốt lõi trong sản xuất pin, quy trình phổ biến hiện nay là quy trình điện cực ướt, tức là trước tiên hòa tan vật liệu cực dương hoặc cực âm vào một dung môi cụ thể, sau đó thêm chất kết dính và phụ gia để hình thành bùn, rồi dùng máy phủ áp vào bề mặt điện cực, và cuối cùng là sấy khô, thu hồi dung môi.
Trong quy trình ướt truyền thống, các bước sấy khô và thu hồi dung môi chiếm lần lượt 22,76% và 53,99% chi phí thiết bị, nhân công và chi phí năng lượng trong toàn bộ quy trình sản xuất pin.
Trong mắt Musk, nếu cuối cùng điện cực cũng cần được sấy khô, tại sao lại phải làm ướt điện cực trước rồi mới sấy khô, mà không dùng điện cực khô ngay từ đầu? Nếu loại bỏ phần này, liệu có thể tiết kiệm được chi phí và quy trình không?
Năm 2019, Tesla chi 218 triệu USD để mua lại công ty siêu tụ điện Maxwell Technologies của California, công nghệ điện cực khô là công nghệ cốt lõi của công ty.
Sự khác biệt chính giữa quy trình điện cực khô và ướt nằm ở việc có sử dụng dung môi hay không, trong đó quy trình điện cực khô các bước chính bao gồm trộn một lượng nhỏ chất kết dính với bột cực dương/cực âm, sau đó nén hỗn hợp bột và chất kết dính thành một lớp màng, cuối cùng ép lớp màng này lên nhôm lá thu điện để tạo thành điện cực hoàn thiện. Quá trình này luôn duy trì trạng thái khô không dung môi, tức là đã loại bỏ bước làm ướt rồi sấy khô.
Theo thông tin công khai của Maxwell, công nghệ điện cực khô giúp tiết kiệm một phần thiết bị như thiết bị sấy khô và thiết bị thu hồi dung môi, đồng thời hiệu suất sản xuất cũng sẽ nâng cao.
Ở cấp độ pin, điều này nâng cao đáng kể về mật độ năng lượng, tuổi thọ chu kỳ, giảm chi phí và thân thiện với môi trường.
Musk cũng từng đề cập rằng, chỉ bằng quy trình này, Tesla có thể giảm một phần ba chi phí thiết bị cho sản xuất, giảm tới 90% diện tích và tổn thất năng lượng của nhà máy sản xuất điện cực.
Nhưng lý thuyết trong phòng thí nghiệm và việc thương mại hóa quy mô thực tế vẫn có sự khác biệt lớn.
Trước tiên, quy trình ướt có thể phủ đều nhanh chóng vật liệu điện cực dương và âm chứa chất kết dính lên lá kim loại, trong khi thử thách của quy trình khô nằm ở việc làm sao phủ đều bột khô lên lá kim loại, điều này liên quan đến việc sử dụng bao nhiêu chất kết dính. Nếu sử dụng quá nhiều chất kết dính sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất pin, còn ít quá thì không đủ để kết dính tốt vật liệu. Tesla vẫn chưa tìm ra giải pháp tối ưu giữa hai yếu tố này.
Ngoài ra còn có vấn đề thiết bị, ví dụ như làm sao nén chất kết dính trong vật liệu thành trạng thái sợi phù hợp, đây chính là thách thức đối với thiết bị. Musk từng đề cập trong buổi thuyết trình cho các nhà đầu tư rằng, bột cực dương rất cứng, khi nén bột cực dương đến một độ dày xác định, nó giống như là bột nhào pizza bị ép phẳng, điều này dẫn đến tình trạng quá tải áp lực bột, khiến cho vị trí bị lệch hoặc thậm chí bị biến dạng, đôi khi còn làm hỏng thiết bị điện cực, “điều này chúng tôi không lường trước được.”
Tất nhiên, sự thay đổi trong toàn bộ quy trình không chỉ liên quan đến vấn đề vật liệu và nén áp lực, Musk thừa nhận rằng để sản xuất pin chất lượng cao, cần phải thực hiện một lượng lớn thiết kế kỹ thuật trên công nghệ phủ khô của Maxwell, điều này vẫn chưa được hoàn toàn thực hiện. Điều này cũng cho thấy Tesla lúc đó vẫn chưa hoàn toàn đột phá trong công nghệ sản xuất điện cực khô.
Nền tảng quan trọng hỗ trợ sự mở rộng quy mô của Tesla.
Công nghệ phủ khô của Tesla chính là nhằm tạo ra pin tròn lớn 4680 với chi phí thấp hơn và mật độ năng lượng lớn hơn.
Tại Ngày pin năm 2020, Tesla lần đầu tiên công bố pin tròn lớn 4680 và công nghệ phủ khô. Số 4680 chỉ đường kính 46mm, chiều cao 80mm, theo thông tin chính thức của Tesla, loại pin này có dung lượng đơn lẻ cao, khe hở giữa pin được sắp xếp nhỏ, hiệu quả sử dụng không gian cao, và do đó có mật độ năng lượng cao hơn so với pin tròn truyền thống, tất nhiên điều này cũng có nghĩa là thời gian chạy xa hơn. Đồng thời cũng an toàn hơn và có thể nâng cao tốc độ sạc một cách đáng kể.
Dĩ nhiên, kích thước lớn hơn không phải là không có giới hạn, theo số liệu thử nghiệm của Tesla, loại pin mới này không có tai, so với pin 2170 mà Tesla đang sử dụng, năng lượng đơn lẻ đã tăng 5 lần, đạt 300Wh/kg, hiệu suất sạc/xả tăng 6 lần. Thực tế khi sản xuất hàng loạt trên xe, điều này sẽ cải thiện quãng đường chạy lên 16%, và với công nghệ lắp ráp và thiết kế mới của gói pin, pin 4680 đã giảm 56% chi phí mỗi kWh.
Ngoài bản thân pin, trong quy trình sản xuất ô tô cũng có thể cải thiện rõ rệt về chi phí. Với Model Y, nếu sử dụng 4680, số lượng tế bào cần thiết chỉ bằng 1/5 số lượng tế bào truyền thống, đồng thời các điểm hàn của mỗi tế bào cũng giảm từ 4 xuống 2, vì vậy chi phí cho quy trình và quy trình cũng được tiết kiệm rõ rệt.
Tổng thể mà nói, với tư cách là pin lớn đầu tiên tự nghiên cứu và sản xuất của Tesla, 4680 là sự tổng hợp giữa hiệu suất toàn diện và tính kinh tế. Vì vậy, Musk đầy tự tin tuyên bố trong Ngày pin rằng, thế hệ pin không có tai này hoàn toàn vượt trội so với pin có tai, 4680 cũng trở thành nền tảng quan trọng để Tesla giảm chi phí, nâng cao hiệu suất và hỗ trợ việc mở rộng quy mô trong tương lai.
Theo kế hoạch của Musk, đến năm 2030, Tesla sẽ sản xuất 20 triệu xe điện mỗi năm. Chìa khóa để thực hiện mục tiêu này nằm ở việc phát triển những mẫu xe rẻ hơn giúp Tesla có doanh số lớn, đó chính là chiếc xe gây chú ý giá 25.000 USD, và lõi chính của nó chính là pin 4680.
Tuy nhiên, con đường sản xuất thực tế của 4680 không hề suôn sẻ. Theo kế hoạch, pin 4680 được đưa vào sản xuất năm 2022, công suất đạt 100GWh, đến năm 2023 sẽ chính thức được sản xuất hàng loạt và có thể cung cấp cho những mẫu xe như Cybertruck, Semi, Model Y.
Đến tháng 6 năm 2023, Tesla thông báo đã sản xuất 10 triệu pin 4680. Vào tháng 6 năm nay, Tesla cho biết đã sản xuất 50 triệu pin 4680. Điều này có nghĩa là hiện tại sản lượng hàng năm của pin 4680 của Tesla đạt 40 triệu chiếc.
Theo tính toán, mỗi 10 triệu pin 4680 có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất khoảng 12.000 chiếc Model Y, nhưng sản lượng hàng năm hiện tại chỉ đủ để đáp ứng 50.000 chiếc Model Y, điều này là chưa đủ, chưa kể đến việc toàn bộ dòng xe sẽ cần pin 4680.
Hiện tại, ảnh hưởng trực tiếp nhất là tại Cybertruck, theo thông tin chính thức từ Tesla, hiện Cybertruck đã nhận được 2 triệu đơn đặt hàng, nhưng do pin 4680 chưa thể sản xuất quy mô lớn, dẫn đến tiến độ giao hàng của Cybertruck bị trì hoãn liên tục.
Ngoài ra, theo thông tin từ truyền thông nước ngoài, pin 4680 của Tesla về mật độ năng lượng và hiệu suất sạc vẫn không bằng thế hệ pin 2170. Hơn nữa, Musk đã từng tự hào nói rằng pin 4680 sẽ giảm 50% chi phí so với pin truyền thống, nhưng nếu đến cuối năm nay không thể giảm chi phí sản xuất pin 4680, Tesla có thể sẽ ngừng sản xuất và chuyển sang các nhà cung cấp bên ngoài.
Tại cuộc họp thường niên của cổ đông Tesla vào năm 2024, một nhà đầu tư đã hỏi về tiến trình sản xuất hàng loạt pin và cách giảm chi phí, Musk cho biết năng lực sản xuất pin 4680 đã tiến triển tốt, dự kiến sẽ lắp đặt vào Cybertruck sản xuất hàng loạt, và chi phí pin cũng đang giảm.
Về vấn đề chi phí, Musk nói rằng, trong vài năm qua, giá vật liệu như lithium và các nguyên liệu khác đã tăng lên, dẫn đến giá pin từng tăng vọt, nhưng giờ đây giá cả đã giảm. Từ pin 4680, ông thấy một con đường để đạt được sự bình ổn về chi phí.
Ông giải thích rằng, hiện tại pin 4680 của Tesla thực sự đắt hơn so với các nhà cung cấp, nhưng nếu nhìn từ góc độ dài hạn, giá hiện tại thấp hơn nhiều so với giá cung cấp một năm trước, vì vậy ông không nghi ngờ rằng đến cuối năm, giá pin của Tesla có thể thấp hơn cả của nhà cung cấp, và trong tương lai còn đạt được giá thấp hơn.
Điều này có nghĩa là Musk chắc chắn sẽ không từ bỏ pin 4680, chưa kể, hiện tại toàn bộ ngành pin cũng đã tham gia vào.
Mục tiêu là chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Bắt đầu từ khi Tesla công bố pin 4680 vào năm 2020, nhiều công ty pin trong ngành đã nhanh chóng theo đuổi con đường này.
Volkswagen bắt đầu nghiên cứu công nghệ phủ khô từ năm 2020, với mục tiêu giảm tiêu thụ năng lượng khoảng 30%, giảm chi phí tế bào pin tối đa khoảng 50%, giúp giảm chi phí mỗi chiếc xe điện hàng trăm euro, và giảm 15% diện tích cần thiết để sản xuất pin, từ đó nâng cao lợi thế cạnh tranh của mình.
Vào tháng 7 năm 2022, công ty pin PowerCo thuộc Volkswagen đã chi 80 triệu USD để xây dựng nhà máy pin đầu tiên tại Đức, nhằm nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm công nghệ phủ khô để sản xuất pin cho xe điện. Theo kế hoạch của Volkswagen, pin 4680 của họ dự kiến sẽ bắt đầu sản xuất vào năm 2027.
Tại Trung Quốc, các nhà cung cấp pin hàng đầu như CATL, BYD, Honeycomb mặc dù không hoàn toàn đặt cược vào 4680, nhưng cũng đã xem 4680 là một trong những dự phòng chiến lược và thực hiện các hành động chủ động về điện cực khô, trong đó CATL đã nhận được một đơn đặt hàng từ BMW cho pin 4680. Tuy nhiên, về thời gian thương mại hóa quy mô công nghệ khô, Tesla và LG rõ ràng dẫn đầu so với các nhà cung cấp trong nước.
Ngoài pin tròn lớn, công nghệ khô do ưu điểm quy trình và ý tưởng thiết kế tương tự, cũng được coi là quy trình lý tưởng cho pin thể rắn, điều này cũng là một trong những hướng chính mà phần lớn các nhà cung cấp pin đang hướng tới, chịu trách nhiệm cho cuộc đọ sức chiến lược trong thế hệ pin tiếp theo.
Vào tháng 4 năm nay, CATL, công ty hàng đầu toàn cầu về pin, đã công bố tiến trình nghiên cứu phát triển pin thể rắn lần đầu tiên và có kế hoạch sản xuất hàng loạt quy mô nhỏ vào năm 2027.
Ngoài CATL, động thái thời gian sản xuất hàng loạt quy mô nhỏ của BYD, NIO, GAC, SAIC, Guoxuan High-tech, Xinwanda vv cũng được xác định chủ yếu vào khoảng năm 2027. Đây cũng là thời gian dự kiến sản xuất hàng loạt quy mô nhỏ của các công ty như Toyota, Nissan, Volkswagen.
Điều này cũng có nghĩa rằng, các nhà cung cấp pin Trung Quốc và quốc tế có tiến độ thực hiện pin thể rắn không có nhiều khác biệt, không có lợi thế về thời gian thực sự rõ ràng.
Mặc dù hiện tại CATL và BYD là các nhà cung cấp pin động lực có giá trị nhất toàn cầu, có thị phần và tiếng nói đủ lớn trên thị trường toàn cầu, nhưng điều này không thể ngăn cản các nhà sản xuất ô tô và các nhà cung cấp pin khác thông qua đầu tư vào các hướng khác, tìm kiếm chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Hiện tại những đột phá trong công nghệ phủ khô và các công nghệ quan trọng khác cộng với các yếu tố khác như tranh chấp địa chính trị ngày càng gay gắt, khiến cho các nhà cung cấp pin trong nước cảm thấy sự cấp bách hơn. Ai sẽ đi nhanh hơn, có tính cạnh tranh hơn trên con đường này, và liệu có những người chơi mới tham gia, có thể sẽ ảnh hưởng lớn đến xu hướng của toàn ngành ô tô.