Diễn đàn Quốc tế Phát triển Ngành Ô tô Trung Quốc lần thứ 20 (sau đây gọi là “Diễn đàn Ô tô Teda”) do Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô Trung Quốc, Hiệp hội Kỹ thuật Ô tô Trung Quốc, Hiệp hội Công nghiệp Ô tô Trung Quốc và Báo Ô tô Trung Quốc đồng tổ chức, được sự hỗ trợ đặc biệt của Ủy ban Quản lý Khu Phát triển Kinh tế và Công nghệ Thiên Tân, cùng với sự đồng tổ chức của Hiệp hội Công nghiệp Ô tô Nhật Bản, Hiệp hội Công nghiệp Ô tô Đức, Liên minh Đổi mới ngành Pin Năng lượng Ô tô Trung Quốc và Liên minh Dữ liệu Lớn về Năng lượng Mới, sẽ diễn ra từ ngày 29 tháng 8 đến 1 tháng 9 năm 2024 tại Khu Mới Bờ Biển Thiên Tân. Chủ đề của diễn đàn năm nay là “Cùng nhau vượt qua hai mươi năm, đồng lòng hướng về tương lai”, nhằm mời các nhân vật quan trọng tham gia thảo luận sâu sắc.
Tại “Buổi chuyên đề sinh thái I: Phát triển công nghệ pin rắn và thách thức trong công nghiệp” vào ngày 30 tháng 8, bà Kim Linh, Giám đốc cao cấp Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ Tiên phong của Tập đoàn Ô tô Đông Phong, đã có bài phát biểu với tiêu đề “Ứng dụng công nghiệp ô tô pin rắn”.
Giám đốc cao cấp Kim Linh, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ Tiên phong của Tập đoàn Ô tô Đông Phong
Sau đây là nội dung bài phát biểu:
Kính thưa Viện sĩ Yang, Tổng thư ký Dongyang, các chuyên gia, bạn bè trong ngành và truyền thông:
Xin chào buổi sáng mọi người!
Tôi rất vui mừng đại diện cho Công ty Đông Phong tham dự hội nghị này, chia sẻ một số công việc và nhận thức của chúng tôi về pin rắn.
Bài phát biểu của tôi sẽ được triển khai theo ba phần: Thứ nhất, thị trường xe năng lượng mới và bối cảnh ngành; Thứ hai, tình hình phát triển của pin rắn và mong đợi sản xuất hàng loạt; Thứ ba, tiến bộ trong phát triển pin rắn và ứng dụng trên xe của Đông Phong.
Một, thị trường xe năng lượng mới và bối cảnh ngành
Xét từ thị trường xe năng lượng mới và bối cảnh ngành, toàn bộ sự phát triển của pin luôn tập trung vào việc nâng cao năng lượng và an toàn. Từ pin axit chì đầu tiên ra đời vào năm 1870, đến pin cadmium-nickel, pin kẽm-mangan, pin nickel-hydride, pin lithium-ion, và pin rắn xuất hiện sau năm 2020. Trong suốt 30 năm, đây là một chu kỳ không chỉ bao gồm sự phát triển công nghệ mà còn cả quy trình, giúp pin được áp dụng rộng rãi.
Chúng ta có thể thấy rằng các ứng dụng chính của pin cũng đã thay đổi từ thiết bị điện tử tiêu dùng ban đầu đến ứng dụng cho pin động lực và kinh tế không khí thấp. Đối với pin lithium-ion, Trung Quốc cũng là một trong những quốc gia đầu tiên thúc đẩy phát triển năng lượng mới vào khoảng năm 2009, nhờ vào các khuyến nghị tích cực từ các chuyên gia và hiệp hội trong ngành.
Đến nay, Trung Quốc là một trong những quốc gia có nhiều chính sách hướng dẫn và chi tiết nhất trên thế giới. Nhờ vào những nỗ lực tích cực, ngành công nghiệp xe năng lượng mới của Trung Quốc ngày càng có ảnh hưởng lớn trên thế giới. Trong đó, Trung tâm Ô tô Quốc gia đóng vai trò không ngừng mở rộng ảnh hưởng trong lĩnh vực tiêu chuẩn quốc tế.
Về doanh số, từ năm 2015, doanh số ô tô năng lượng mới của Trung Quốc đã trở thành lớn nhất thế giới. Vào năm 2013 và 2014, doanh số chỉ khoảng 6.000 xe, trong khi đến năm 2022 con số này đã tăng lên 6,887 triệu xe, duy trì tăng trưởng nhanh chóng. Đến năm ngoái, chúng ta đã đạt được 9,495 triệu xe, đồng thời xe năng lượng mới đã trở thành sản phẩm xuất khẩu mới, đóng góp quan trọng cho nền kinh tế quốc gia.
Chúng ta cũng có thể thấy rằng tỷ lệ thẩm thấu của thị trường ô tô năng lượng mới cũng liên tục gia tăng. Về thị phần, mười doanh nghiệp hàng đầu đã đạt được 72.3% thị phần, và trong số mười công ty hàng đầu này, BYD – một doanh nghiệp ô tô năng lượng mới của Trung Quốc – đã vượt qua các công ty liên doanh; điều này khác với tình hình hồi thập niên 90 khi mà xe liên doanh luôn được ưu ái hơn trong lòng người tiêu dùng.
Một trong những lý do khiến người tiêu dùng vẫn lo ngại khi mua xe năng lượng mới là gì? Hai điều lo lắng chính: Thứ nhất, lo lắng về an toàn. Các chuyên gia trước đó đã báo cáo rằng có thể có một chiếc ô tô năng lượng mới cháy mỗi 8 ngày, những số liệu này được dựa trên thống kê dữ liệu quốc gia, chính vì vậy người tiêu dùng vẫn có lo ngại về mặt an toàn. Thứ hai, vấn đề về quãng đường di chuyển. Thật ra, khi xe năng lượng mới chỉ mới xuất hiện cách đây khoảng mười năm, quãng đường di chuyển không vượt quá 300km. Qua hơn mười năm phát triển, với sự tiến bộ trong công nghệ pin, quãng đường di chuyển của xe năng lượng mới hiện tại có thể đạt từ 300-500km, hoặc xa hơn.
Sự đột phá trong quãng đường di chuyển chủ yếu phụ thuộc vào nguồn năng lượng, tức là pin động lực. Hiện tại, mật độ năng lượng tối đa của pin lithium-ion lỏng đã sản xuất hàng loạt đang ở mức khoảng 300Wh/kg, nếu muốn cải tiến quãng đường di chuyển hơn nữa, cần phải đột phá về mật độ năng lượng.
Từ góc nhìn tổng quan hơn, việc phát triển pin rắn đã trở thành một chiến lược quốc gia, và các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc đang đưa ra các kế hoạch chiến lược tương ứng. Trong kế hoạch phát triển “14 năm” của Trung Quốc, cũng đã cụ thể đề ra việc đẩy nhanh nghiên cứu và phát triển pin rắn. Trong kế hoạch nghiên cứu và phát triển trọng điểm quốc gia, đã có nhiều đề án nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn “14 năm”, và tôi xin báo cáo với các lãnh đạo, chuyên gia rằng, Công ty Đông Phong may mắn được chọn là đơn vị dẫn đầu trong một dự án quốc gia về pin rắn.
Đối với tiến độ phát triển của tất cả các nhà sản xuất trong và ngoài nước, nhìn chung, châu Âu tập trung vào nhiều con đường như polymer, oxit và sulfide. Tại Trung Quốc, chủ yếu tập trung vào con đường oxit và polymer, bước đầu áp dụng và sản xuất hàng loạt. Con đường sulfide gặp nhiều khó khăn hơn, vì vậy tiến độ sản xuất hàng loạt của nó chậm hơn. Đông Phong hiện cũng đang tiến hành nghiên cứu các vấn đề liên quan đến con đường polymer và oxit.
Tôi xin tổng kết phần đầu tiên. Thứ nhất, pin lỏng có nguy cơ mất kiểm soát nhiệt độ và lo lắng về quãng đường di chuyển, hiện tại đã gần đạt đến giới hạn mật độ năng lượng, điều này lý giải cho sự cần thiết phát triển pin rắn – thế hệ pin động lực tiếp theo. Thứ hai, với các đặc tính của pin rắn, pin này có thể nâng cao tính an toàn đồng thời tương thích với các cực dương và âm có dung lượng lớn hơn, do đó mở ra bức tường ngăn mật độ năng lượng cao hơn, trở thành hướng công nghệ quan trọng cho giai đoạn tiếp theo của pin động lực. Thứ ba, các doanh nghiệp chế tạo xe trong và ngoài nước đang triển khai dựa vào nghiên cứu hoặc sự phát triển chung để tiến vào con đường pin rắn, nỗ lực từng bước hiện thực hóa thương mại hóa pin rắn. Thứ tư, Đông Phong hiện đã có một số tiến bộ trong trạng thái hỗn hợp rắn-lỏng hoặc bán rắn, và các công ty xe như NIO, SAIC cũng sẽ lần lượt cho ra mắt các chiếc xe bán rắn. Pin rắn hiện vẫn còn một số điểm chưa trưởng thành về mặt công nghệ và sản phẩm, vẫn chưa hoàn toàn ở giai đoạn thương mại hóa, nhưng dự kiến sẽ vào giai đoạn thương mại khoảng năm 2030 và từng bước đạt được tính khả thi kinh tế.
Hai, tình hình phát triển của pin rắn và mong đợi sản xuất hàng loạt
Từ góc độ phát triển pin động lực, bao gồm cả các con đường mật độ năng lượng cao, cũng như chu trình thấp, ý kiến của chúng tôi về pin lưu trữ là do sự chú ý của pin lưu trữ đối với kích thước và thể tích không quan trọng như của xe. Để tối ưu hóa kích thước trong không gian hạn chế của xe, chúng ta luôn mong muốn bố trí nhiều năng lượng hơn, nhằm đạt được quãng đường di chuyển xa hơn. Chính vì vậy, pin động lực vẫn lấy pin lithium-iron phosphate và hệ thống ba thành phần làm chủ đạo.
Về các con đường công nghệ, hiện tại trong nước chủ yếu nghiên cứu các con đường polymer, oxit và sulfide, nhưng ba con đường này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Con đường polymer có điều kiện gia công tốt, dễ sản xuất quy mô lớn, nhưng độ dẫn ion của nó lại là thấp nhất so với các loại pin khác. Độ dẫn ion của oxit tương đối trung bình, nhưng khó khăn nằm ở việc tiếp xúc bề mặt và độ dẻo dai. Con đường sulfide có độ dẫn ion cao nhất, nhưng nhược điểm của nó lại là ổn định không khí kém, có thể sản sinh khí độc như hydrogen sulfide trong quá trình sản xuất.
Từ đó, độ trưởng thành của ba con đường này cũng khác nhau. Như đã nói, các công ty châu Âu và Mỹ chủ yếu tập trung vào con đường polymer, trong khi phần lớn các công ty trong nước chọn con đường oxit, nếu muốn công nghiệp hóa, có lẽ con đường oxit và polymer sẽ là con đường đầu tiên có thể thí nghiệm được.
Tiếp theo, tôi sẽ nói đến sự khác biệt và lợi thế giữa pin lỏng và pin rắn. Vấn đề an toàn vừa nêu hồi nãy thực sự liên quan đến chất điện giải trong pin lỏng, đó là chất điện giải dễ cháy và hữu cơ, do đó nó rất dễ xảy ra mất kiểm soát nhiệt độ và cháy; trong khi chất điện giải rắn không cháy, có độ ổn định nhiệt cao hơn. Bên cạnh đó, thông qua sự kết hợp giữa chất điện giải và cực dương, cực âm, pin rắn có thể đạt được mật độ năng lượng cao hơn, vượt qua ngưỡng 350Wh/kg.
Như đã đề cập, nhiệt độ ổn định nhiệt của các loại chất điện giải khác nhau, pin lỏng có nhiệt độ khoảng 200 độ, trong khi đối với polymer, sulfide, oxit, trong số các chất điện giải, oxit có nhiệt độ ổn định nhiệt cao nhất.
Đối với pin rắn, bốn thách thức lớn từ phòng thí nghiệm cho đến sản xuất hàng loạt mà chúng tôi nhận định chính là: Thứ nhất, vật liệu cực dương hiệu suất cao, cần phát triển vật liệu cực dương có dung lượng và hiệu suất cao; Thứ hai, màng điện giải composite, cần phát triển được màng điện giải có dẫn điện cao, độ bền cao, ổn định giao diện tốt; Thứ ba, vật liệu cực âm hiệu suất cao cũng cần tập trung phát triển quanh dung lượng và độ bền của vật liệu; Thứ tư, quy trình sản xuất pin rắn, quy trình này liên quan đến các vật liệu composite polymer và oxide, làm sao có thể tương thích một phần quy trình hiện tại, nhưng với sulfide thì quy trình cần nhiều sự đổi mới và tiên phong hơn.
Nói cụ thể hơn về từng thách thức. Thách thức đầu tiên là ở cực dương, cực dương trong ngắn hạn sẽ vẫn tiếp tục áp dụng hệ thống nickel cao, nhưng nickel rất hoạt động, độ an toàn kém, dễ gây ra mất kiểm soát nhiệt độ. Về lâu dài sẽ tiến hành phát triển các vật liệu như nickel siêu cao, spinel áp suất cao, và vật liệu mangan giàu lithium.
Dưới áp suất cao, cực dương ba thành phần dễ dàng sản sinh khí và làm mất oxy, dẫn đến tình trạng phồng rộp pin. Các công ty sản xuất vật liệu cho cực dương cũng đang nghiên cứu việc tạo ra tinh thể đơn lớn và lớp bao phủ oxit. Chúng tôi cần cải tiến độ tinh khiết của tinh thể và tính chất chức năng của vật liệu để nâng cao hiệu suất và mật độ năng lượng toàn bộ pin. Nếu không, độ tinh khiết thấp có thể gây ra sự sụp đổ cấu trúc, xay nhuyễn và ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Chính vì vậy, chiến lược chính của chúng tôi là nâng cao độ tinh khiết tinh thể và lớp phủ của vật liệu chức năng.
Thách thức thứ hai, nếu xét đến vật liệu điện giải rắn, tự thân vật liệu này cũng rất quan trọng, bên cạnh đó là khía cạnh tiếp xúc rắn-rắn. Thách thức đầu tiên là tiếp xúc rắn-rắn có thể dẫn đến độ dẫn điện của lithium-ion thấp, và điều này ảnh hưởng đến mật độ năng lượng của pin. Cuối cùng, ở phương diện sản xuất, hiện tại cần chế tạo màng điện giải dưới 20 micron, từ công nghệ và chi phí có một số vấn đề cần giải quyết, đó là lý do tại sao các chương trình quốc gia liên quan đến màng điện giải cũng đề cập đến kích thước mỏng hơn, mỏng hơn thì càng tốt.
Những công việc cần phải làm chủ yếu liên quan đến phát triển các quy trình và nguyên liệu mới, cùng với việc cải thiện chất lượng tiếp xúc giữa các thành phần rắn.
Xét về cực âm, hiện tại ngành chủ yếu đang nghiên cứu hai khía cạnh: Thứ nhất, vật liệu cực âm silicon có năng lượng cao. Thứ hai, vật liệu cực âm lithium kim loại.
Đối với vật liệu cực âm silicon, có ba vấn đề tồn tại. Thứ nhất, do silicon có sự gia tăng thể tích rất lớn, có thể lên tới 300%, điều này có thể dẫn đến sự phân tách và xay nhuyễn của vật liệu, nghiêm trọng hơn là phồng rộp điện. Ở phía ứng dụng xe, trong quá trình nghiên cứu phát triển, để giảm thiểu sự nở ở pin, chúng ta có thể cần tích hợp các nguyên liệu có khả năng cách nhiệt và hấp thụ sự nở vào cấu trúc thiết kế pin, nhưng điều này lại ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của toàn bộ pin. Vấn đề này không chỉ liên quan đến các công ty sản xuất pin mà cũng quan trọng với các công ty chế tạo xe. Thứ hai là khả năng dẫn điện của silicon kém; thường chúng ta sử dụng sự kết hợp giữa silicon-carbon, hoặc hiện tại có các vật liệu silicon-carbon thế hệ thứ ba để cải thiện khả năng dẫn điện. Tuy nhiên, khả năng dẫn điện này cũng liên quan đến khả năng phản ứng nghịch và hiệu suất Coulomb. Cuối cùng, vấn đề nghiêm trọng khác là các hạt silicon dễ bị xay nhuyễn làm giảm khả năng tiếp xúc điện, từ đó làm giảm hiệu suất và các tính năng điện của chúng. Chiến lược chính để giải quyết bao gồm vật liệu silicon xốp, sử dụng cấu trúc lõi-vỏ để giới hạn sự nở, hay thiết kế các chất phụ gia điện mới nhằm tạo thành một màng SEI ổn định.
Thách thức thứ ba, từ ứng dụng phát triển cực âm lithium kim loại siêu mỏng, cực âm lithium kim loại ngoài việc chịu ảnh hưởng từ sự nở của silicon còn đối mặt với sự sinh trưởng của tinh thể lithium, ngoài việc tiêu hao lithium hoạt động, độ ổn định của toàn bộ lithium kim loại giảm đi.
Chúng tôi cần sản xuất lithium kim loại siêu mỏng, nhưng hiện tại quy trình thiết bị và hạn chế của lithium kim loại càng khiến việc sản xuất siêu mỏng trở nên khó khăn hơn, hiện tại trong nước có rất ít công ty có khả năng sản xuất. Đối với lithium kim loại, những đặc điểm chính bao gồm hai điểm: Thứ nhất, thiết kế hợp kim hóa cho cực âm lithium kim loại; Thứ hai, lithium đã tiêu hao không thể hồi phục thông thường được qua phương pháp kích hoạt.
Thách thức thứ tư liên quan đến quy trình công nghệ, công nghệ sản xuất pin rắn vẫn cần được tối ưu hóa, các thiết bị sản xuất phần lớn cần được tùy chỉnh, càng làm tăng yêu cầu về thiết bị: Trong con đường composite polymer và oxide, chúng ta có thể ứng dụng một phần thiết bị hiện có, một phần cần được cải tạo, trong khi đối với sulfide, yêu cầu về thiết bị mới cao hơn. Chi phí xây dựng cho dây chuyền sản xuất pin lỏng cho 1GWh là 150 triệu nhân dân tệ, trong khi chi phí cho dây chuyền sản xuất pin rắn có thể sẽ cao hơn.
Về chi phí sản xuất chính của pin, đây là con số vừa được cập nhật gần đây, hai năm trước, chúng tôi từng ghi nhận pin lithium-iron phosphate có giá 550 nhân dân tệ/kWh, còn ba thành phần là 680 nhân dân tệ/kWh. Hiện tại bất kể trong ngành ô tô hay ngành pin, chúng ta đều thấy sức cạnh tranh mạnh mẽ; với việc giảm giá nguyên liệu thượng nguồn, giờ đây giá pin lithium-iron phosphate đã có thể đạt mức 300-400 nhân dân tệ/kWh, ba thành phần là 500 nhân dân tệ/kWh. Đối với các doanh nghiệp quy mô lớn như BYD, Ningde Times, chi phí sản xuất của họ có thể giảm xuống chỉ còn khoảng 0.3 nhân dân tệ, 0.4 nhân dân tệ.
Dưới bối cảnh này, trước điều kiện hiện tại của các xe dưới 300,000 nhân dân tệ, tính cost-performance của pin trở nên cực kỳ quan trọng đối với hiệu suất của toàn xe. Do vậy, cả ngành công nghiệp pin rắn cần chú trọng không chỉ vào việc nâng cao hiệu suất mà còn phải làm nhiều hơn để tối ưu hóa chi phí để thúc đẩy ứng dụng quy mô lớn cho pin rắn.
Từ nghiên cứu của Viện Nghiên cứu và Phát triển Ô tô Quốc gia, toàn bộ pin rắn từ quan điểm của các chỉ tiêu kỹ thuật, chi phí, và kỳ vọng sản xuất hàng loạt, Đông Phong đã ra mắt E70 pin rắn đầu tiên vào tháng 1 năm 2022 và triển khai các hoạt động. Sau đó, với sự hướng dẫn từ các chính sách nhà nước và các dự án quốc gia, đã có các mẫu xe pin rắn được giới thiệu. Dựa vào dự đoán này, đến năm 2030, chúng tôi dự kiến sẽ có khả năng sản xuất hàng loạt pin rắn quy mô nhỏ trong nước.
Tôi không đi vào chi tiết về phần này, chủ yếu là so sánh ưu điểm và nhược điểm của các chất điện giải khác nhau hiện tại, pin lỏng gặp khó khăn trong việc vượt qua giới hạn mật độ năng lượng, trong khi pin rắn đã bước chân vào giai đoạn công nghiệp hóa trước tiên.
Ba, tiến triển trong phát triển pin rắn và ứng dụng trên xe của Đông Phong
Đông Phong đã hợp tác với Ganfeng Lithium vào tháng 1 năm 2022, công bố xe với pin hỗn hợp rắn-lỏng. Hiện nay, chúng tôi đã triển khai hoạt động thử nghiệm E70 pin rắn với hơn 180 triệu cây số, không có vấn đề về an toàn hay chất lượng, chúng tôi cũng có nền tảng dữ liệu lớn để theo dõi những chiếc xe này.
Công việc này đã được thực hiện theo chiến lược chuyển đổi tổng thể của tập đoàn trong giai đoạn “14 năm” và dưới sự lãnh đạo của Chủ tịch Hội đồng Học viện Nghiên cứu Tổng hợp, một số phương tiện truyền thông trong nước như Báo Ô tô Trung Quốc, Học Tập Cường Quốc, Báo Hợp tác Hú Bắc, Bình luận Thương mại Ô tô cũng đã thông báo nhiều lần về những tiến bộ công nghệ mới của toàn bộ đội ngũ, qua đó đạt giải bạc trong cuộc thi đổi mới cấp quốc gia.
Đối với việc phát triển và thúc đẩy ứng dụng pin rắn, Đông Phong sẽ tập trung tích hợp từ hệ thống vật liệu, nghiên cứu phát triển pin, đến thiết kế tích hợp xe, từ đó dần đạt được sự trưởng thành của pin rắn có năng lượng cao và ứng dụng trên xe, nhằm mục tiêu quãng đường di chuyển 1000 km.
Cuối cùng, tôi xin tóm tắt suy nghĩ của chúng tôi về pin rắn nói chung:
Thứ nhất, trong bối cảnh chuyển dịch điện hóa của ngành ô tô, sự thúc đẩy từ thị trường và chính sách đang tạo ra động lực mạnh mẽ, trên thực tế, hiện tại thị trường đang là động lực chủ yếu, khiến pin, đặc biệt là pin rắn trở thành một điểm chiến lược hấp dẫn cho các doanh nghiệp.
Thứ hai, pin rắn vẫn còn tồn tại nhiều thách thức công nghệ cần đột phá trong lĩnh vực vật liệu và quy trình sản xuất. Tuy nhiên, với sự tiến bộ công nghệ và phát triển công nghiệp, pin rắn có khả năng đạt được sản xuất hàng loạt quy mô lớn trong tương lai.
Thứ ba, Đông Phong đã có những bước tiến nhất định trong việc phát triển và ứng dụng pin rắn, chúng tôi sẽ tiếp tục hướng tới khả năng tự chủ và kiểm soát của cell pin rắn, phát triển cải tiến sản phẩm pin rắn có năng lượng cao để giúp Đông Phong đạt được bước nhảy vọt trong công nghệ năng lượng mới.
Trên đây là báo cáo của tôi, cảm ơn mọi người!