Động lực và thách thức trong nghiên cứu và phát triển công nghệ pin điện trên thế giới

vietq.vn · Feb 22, 2026 · Collected from GDELT

Full Article

Mức độ hoàn thiện của công nghệ pin Thế kỷ XXI đang chứng kiến một cuộc chuyển dịch năng lượng toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn tái tạo nhắm đáp ứng các mục tiêu khí hậu theo thỏa thuận Paris. Tuy nhiên, tính gián đoạn cố hữu của các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi (VRE) này lại đặt ra một thách thức lớn đối với sự ổn định vận hành của lưới điện. Việc duy trì độ tin cậy của lưới điện ngày càng trở nên phức tạp và tốn kém dẫn đến việc nâng cao tính linh hoạt của hệ thống điện trở thành ưu tiên hàng đầu. Trong bối cảnh đó, lưu trữ năng lượng điện (EES) đã nổi lên như một công nghệ hỗ trợ mang tính then chốt. Sự phát triển của công nghệ pin điện không chỉ đóng vai trò quan trọng đối với ngành điện mà còn là động lực chính thúc đẩy quá trình điện hóa ngành giao thông. Bối cảnh phát triển công nghệ pin điện rất phức tạp, bao gồm một loạt các cấu trúc vật liệu ở các giai đoạn hoàn thiện và triển khai thương mại khác nhau. Mức độ sẵn sàng về công nghệ (TRL) có thang đo từ 1 (nguyên lý cơ bản) đến 9 (Công nghệ đã được chứng minh) là một phương pháp rất tốt để đánh giá bối cảnh này. Các công nghệ đã hoàn thiện (TRL 9): Pin axit chì là công nghệ pin sạc lâu đời nhất đã được hoàn thiện và thương mại hóa hoàn toàn. Nó vẫn được sử dụng rộng rãi cho việc khởi động, chiếu sáng và đánh lửa (SLI) trong các phương tiện và cho các ứng dụng cung cấp điện liên tục (UPS). Mặc dù chi phí thấp (50 1100 USD/kWh) và có độ tin cậy nhưng mật độ năng lượng thấp (50-80 Wh/l), tuổi thọ chu kỳ hạn chế (3-15 năm) và các nguy cơ môi trường liên quan đến chì đã hạn chế khả năng ứng dụng của nó cho lưới điện quy mô lớn hoặc cho xe điện. Pin Lithium-ion (Li-ion) là công nghệ thống trị trên thị trường hiện nay, làm nền tảng cho cả cuộc cách mạng xe điện và sự mở rộng của hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện. Các vật liệu chính như Nickel Mangan Cobalt (NMC) và Lithium Sắt Phosphate (LFP) đều ở mức TRL 9. Pin LFP ngày càng được ưa chuộng cho các ứng dụng lưu trữ tĩnh do có hồ sơ an toàn cao hơn, tuổi thọ chu kỳ dài hơn và không chứa cobalt, mặc dù sở hữu mật độ năng lượng thấp hơn (100-150 Wh/kg) so với các pin NMC (230-270 Wh/kg). Các công nghệ đã được chứng minh và đang trong quá trình thương mại hóa (TRL 7-8): Pin Natri-Lưu huỳnh (NaS) và Natri-Niken-Clorua (ZEBRA) là các loại pin nhiệt độ cao được phát triển dành cho các ứng dụng lưu trữ tĩnh quy mô lưới điện. Chúng có mật độ năng lượng cao (150-250 Wh/l) và tuổi thọ vận hành dài nhưng yêu cầu duy trì nhiệt độ hoạt động cao (khoảng 300°C) tạo ra sự phức tạp đáng kể về an toàn và vận hành [1, 2]. Đối với Pin dòng chảy Redox (RFB), nổi bật nhất trong dòng pin này là hệ thống dựa trên vanadium (VRFB) là loại pin phát triển nhất và đang được triển khai trong các dự án quy mô lưới điện. Ưu điểm chính trong cấu tạo của chúng là sự tách biệt giữa công suất và dung lượng, cho phép lưu trữ rất linh hoạt và trong thời gian dài. Tuy nhiên, chúng hiện có chi phí vốn cao hơn và mật độ năng lượng thấp hơn (15-40 Wh/kg) so với pin Li-ion [3]. Các công nghệ mới nổi (TRL 4-6): Đầu tiên là xét đến Pin Natri-ion (Na-ion), công nghệ này đang thu hút sự chú ý đáng kể như một giải pháp thay thế bền vững và chi phí thấp cho Li-ion, sử dụng natri dồi dào và rẻ tiền. Nhà sản xuất Trung Quốc CATL đã thương mại hóa thế hệ pin Na-ion đầu tiên của mình. Mặc dù mật độ năng lượng của chúng hiện thấp hơn Li-ion (75-150 Wh/kg), hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ thấp và các đặc tính an toàn vốn có lại là những ưu điểm lớn. Chúng được dự báo sẽ chiếm lĩnh thị phần ngày càng tăng, đặc biệt là trong phân khúc lưu trữ tĩnh và xe điện giá rẻ [4, 5]. Thứ hai là Pin thể rắn (SSB) thường được coi là công nghệ mũi nhọn tiếp theo trong công nghệ pin nhằm mục đích thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy của pin Li-ion thông thường bằng một vật liệu rắn. Sự chuyển đổi này hứa hẹn những cải tiến mang tính biến đổi cả về an toàn và mật độ năng lượng. Một số công ty đang trong giai đoạn phát triển SSB tiên tiến để đạt chuẩn cho ngành ô tô nhưng công nghệ này vẫn còn khoảng năm năm hoặc hơn nữa mới có thể được triển khai thương mại rộng rãi [4]. Cuối cùng là Pin kim loại - không khí có cấu trúc vật liệu như: kẽm - không khí; sắt - không khí có mật độ năng lượng lý thuyết cực kỳ cao bằng cách sử dụng oxy từ không khí xung quanh làm cực âm. Chúng đang được phát triển cho các ứng dụng lưu trữ dài hạn nhưng hiện phải đối mặt với những thách thức lớn liên quan đến hiệu suất chu trình nạp-xả và tuổi thọ chu kỳ [5]. Pin Lithium-ion (Li-ion) là công nghệ đang thống trị trên thị trường hiện nay. Các công nghệ còn đang trong quá trình nghiên cứu và bị giới hạn phát triển (TRL 1-3): Đây là nền tảng cho các thế hệ pin tương lai, tập trung vào việc vượt qua những thách thức khoa học cơ bản trước khi có thể tính đến việc sản xuất thử nghiệm. Tiêu biểu là Pin Kẽm-ion và Nhôm-ion (TRL 2-3) sử dụng các nguyên liệu thô dồi dào, giá rẻ hơn lithium. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại vẫn đang tập trung giải quyết các vấn đề cố hữu như sự hình thành đuôi gai (dendrite) làm giảm tuổi thọ và việc tìm kiếm chất điện phân tối ưu để cải thiện hiệu suất [6]. Tương tự, nhiều biến thể mới của Pin Thể rắn và Pin Lithium-Lưu huỳnh cũng đang ở giai đoạn chứng minh khái niệm (TRL 3) với mục tiêu khám phá các vật liệu và cấu trúc đột phá nhằm giải quyết các rào cản về độ ổn định chu kỳ và mật độ năng lượng. Thành công ở giai đoạn này là yếu tố sống còn, quyết định liệu một ý tưởng có tiềm năng trở thành công nghệ khả thi trong tương lai hay không. Động lực cho nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ pin điện Động lực toàn cầu thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ pin được tạo nên bởi sự hội tụ của các yếu tố mạnh mẽ về kỹ thuật, kinh tế và chính sách. Nhóm nghiên cứu tổng hợp lại thành 5 động lực cơ bản để thúc đẩy nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ pin điện, cụ thể như sau: Thứ nhất, động lực chính cho việc triển khai các hệ thống lưu trữ tĩnh quy mô lớn là yêu cầu cấp thiết phải quản lý tính biến đổi của năng lượng tái tạo theo thời gian thực. Pin có thể cung cấp một bộ đầy đủ các dịch vụ phụ trợ bao gồm điều tần, hỗ trợ điện áp và dự phòng quay, những vai trò mà trước đây thường do các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch đảm nhiệm. Bằng cách lưu trữ lượng điện tái tạo dư thừa để phát lại sau, pin giúp “gia cố” một cách hiệu quả các nguồn năng lượng gián đoạn này, giảm thiểu việc cắt giảm công suất phát và nâng cao độ tin cậy chung của lưới điện [1, 2]. Thứ hai, quá trình chuyển đổi sang xe điện đang diễn ra là một trụ cột quan trọng trong các chiến lược khử cacbon toàn cầu. Nhu cầu của người tiêu dùng về quãng đường di chuyển xa hơn, khả năng sạc nhanh hơn và chi phí xe điện thấp hơn đóng vai trò như một động lực mạnh mẽ cho hoạt động R&D về các loại pin có mật độ năng lượng cao như NMC và gần đây hơn là cho các đổi mới đột phá trong các lĩnh vực như cực dương silicon và công nghệ pin thể rắn [4]. Thứ ba, sự sụt giảm liên tục trong chi phí pin đã mở ra nhiều mô hình kinh doanh và nguồn doanh thu mới. Các nhà phát triển dự án hiện có thể tham gia vào hoạt động kinh doanh chênh lệch giá năng lượng. Hơn nữa, khi các thị trường điện ngày càng được cải cách để đề cao tính linh-hoạt, pin có thể tham gia vào các thị trường công suất và dịch vụ phụ trợ. Điều này cho phép “cộng gộp giá trị”, mô hình mà nhiều nguồn doanh thu được kết hợp để củng cố luận cứ kinh doanh cho việc đầu tư [1, 9]. Khả năng triển khai pin một cách chiến lược để quản lý tình trạng nghẽn mạng lưới điện và qua đó trì hoãn các nâng cấp tốn kém cho cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối cũng là một động lực kinh tế quan trọng khác. Thứ tư, sự biến động địa chính trị của thị trường nhiên liệu hóa thạch toàn cầu đã làm tăng cường động lực chiến lược hướng tới sự độc lập về năng lượng lớn hơn. Năng lượng tái tạo được sản xuất tại chỗ khi kết hợp với công suất lưu trữ mạnh mẽ sẽ làm giảm sự phụ thuộc của một quốc gia vào nhiên liệu nhập khẩu qua đó đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Ở cấp độ mang tính cục bộ, pin có thể cung cấp nguồn điện dự phòng quan trọng trong các sự cố mất điện lưới, cải thiện khả năng phục hồi của các cơ sở hạ tầng thiết yếu như bệnh viện, cũng như cho các khách hàng dân dụng và thương mại. Thứ năm, chính phủ các nước trên thế giới đang thực hiện các tham vọng chính sách để đẩy nhanh quá trình chuyển dịch năng lượng. Các mục tiêu phát thải ròng bằng không có tính ràng buộc pháp lý được thiết lập ở Vương quốc Anh và EU đòi hỏi sự mở rộng quy mô lớn của năng lượng tái tạo và theo đó là lưu trữ năng lượng. Các sáng kiến chính sách lớn như gói «Fit for 55» của EU, Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 của Trung Quốc, và Đạo luật Giảm lạm phát của Hoa Kỳ bao gồm các mục tiêu, quy định bắt buộc và ưu đãi tài chính cụ thể cho cả việc triển khai và sản xuất pin. Các khuôn khổ pháp lý toàn diện này cung cấp sự chắc chắn cho thị trường để thu hút đầu tư tư nhân trên toàn bộ chuỗi giá trị pin. Những tiến bộ công nghệ và thách thức đối với pin điện Những tiến bộ công nghệ Công nghệ pin Lithium-ion tiếp tục phát triển thông qua một số đổi mới quan trọng. Một xu hướng chủ đạo là chuyển dịch sang các loại cực dương có hàm lượng niken cao hơn để tăng mật độ năng lượng đồng thời giảm sự phụ thuộc vào cobalt, một vật liệu đắt đỏ và gây tranh cãi về mặt đạo đức. Việc tích hợp silicon làm chất phụ gia vào cực âm than chì (graphite) truyền thống là một tiến bộ đáng kể, giúp tăng mật độ năng lượng và cho phép khả năng sạc nhanh hơn. Mục tiêu dài hạn trong lĩnh vực này là chuyển đổi sang cực âm silicon có pha tạp thêm hoặc silicon nguyên chất hứa hẹn một sự cải thiện vượt bậc về hiệu suất, mặc dù những thách thức đáng kể liên quan đến sự giãn nở vật liệu và tuổi thọ chu kỳ vẫn còn tồn tại [5]. Các đổi mới về cấu trúc trong thiết kế bộ pin, chẳng hạn như thiết kế từ Tế bào đến Khối pin (CTP) đang giúp tinh giản hóa quy trình sản xuất bằng cách loại bỏ cấp mô đun trung gian. Điều này làm tăng mật độ năng lượng thể tích của bộ pin cuối cùng và giảm tổng chi phí sản xuất. Các công nghệ pin mới nổi chẳng h