Pin/ắc-quy lithium hay Lithium-Ion (gọi tắt là LIB - Lithium Ion Battery), có thể sạc và cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị khác nhau, từ điện thoại di động, máy tính xách tay, thiết bị điện gia dụng, thiết bị đeo đến mô tô/ô tô điện, máy bay không người lái, các thiết bị trên tàu vũ trụ, hay để lưu trữ năng lượng... LIB thực sự làm thay đổi cuộc sống con người và dường như cả thế giới đang được vận hành bởi LIB.
Vì những đóng góp cho sự phát triển của LIB, ba nhà khoa học M. Stanley Whittingham (người Anh), John B. Goodenough (người Mỹ) và Akira Yoshino (người Nhật) đã được trao giải thưởng Nobel hóa học năm 2019 (Bảng 1).
Bảng 1: Dấu ấn với LIB của ba nhà khoa học đoạt giải Nobel hóa học 2019
|
Thập niên 1970, Stanley Whittingham sáng tạo LIB đầu tiên sử dụng lithium cho cực dương (anode) có khả năng giải phóng mạnh mẽ các electron và titan disulfide cho cực âm (cathode).
|
Năm 1980, John Goodenough công bố cải tiến thiết kế LIB của Whittingham, sử dụng cực âm cobalt oxide làm tăng gấp đôi điện áp. Đột phá này mở rộng ứng dụng LIB cho các thiết bị cần nguồn năng lượng lớn hơn.
|
Năm 1985, Akira Yoshino ra mắt loại LIB thay thế cực dương lithium bằng than cốc an toàn hơn, mở đường cho LIB phát triển mạnh mẽ.
|
Nguồn: The Royal Swedish Academy of Sciences; Maria Temming, Jonathan Lambert; The development of the lithium-ion battery has won the chemistry Nobel Prize.
Lithium là kim loại nhẹ nhất, có tính điện hóa cao, có trong các khoáng chất như lepidolite, petalite, amblygonite và spodumene. Do sự không ổn định của lithium trong các LIB đầu tiên, đã dẫn đến việc sử dụng ion lithium thay thế. Dù đều dùng ion lithium nhưng hiện nay có nhiều loại LIB khác nhau do khác vật liệu làm điện cực. Các điện cực có thể được chế tạo từ lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium iron phosphate, lithium nickel manganese cobalt, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium titanate (Bảng 2). Trong những năm gần đây, hầu hết các nhà sản xuất đều dùng than chì làm anode thay cho than cốc. LIB được đánh giá cao nhờ mật độ năng lượng cao, thời gian sử dụng lâu, suy hao năng lượng thấp, nhẹ và thân thiện môi trường.
Bảng 2: Các loại LIB và ứng dụng
|
Vật liệu điện cực
|
Tên gọi tắt của LIB
|
Ứng dụng
|
Các nhà sản xuất chủ yếu
|
|
Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2)
|
LCO
|
Điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh.
|
“”
|
|
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)
|
LMO
|
Dụng cụ điện cầm tay, xe điện, thiết bị y khoa, Dụng cụ điện theo sở thích.
|
Hitachi, Samsung, LG Chem, Toshiba, NEC.
|
|
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)
|
LFP
|
Dụng cụ điện cầm tay, xe điện, thiết bị y khoa, Dụng cụ điện theo sở thích.
|
BYD, K2, Lishen, Saft, GS Yuasa, A123, Valence, BAK.
|
|
Lithium Nickel Manganese Cobalt (LiNiMnCoO2)
|
NMC
|
Dụng cụ điện cầm tay, xe điện, thiết bị y khoa, Dụng cụ điện theo sở thích.
|
CATL Sanyo, Panasonic, Samsung, LG Chem, SK Innovation.
|
|
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2)
|
NCA
|
Xe điện, lưu trữ điện.
|
Tesla, Panasonic.
|
|
Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
|
LTO
|
Xe điện, lưu trữ điện.
|
Altairnano, Toshiba, Yabo.
|
Nguồn: Charlie Bloch, James Newcomb, Samhita Shiledar và Madeline Tyson; Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrifcation, batteryuniversity.com
Vật liệu cho anode hay cathode và cả chất điện ly đều tác động đến hiệu năng của LIB. Tùy vào mục tiêu, các công ty sẽ phát triển loại LIB theo xu hướng thị trường riêng. Các nhà khoa học không ngừng chạy đua để phát hiện vật liệu/hỗn hợp các vật liệu nhằm tạo ra LIB hiệu năng ngày càng cao hơn, nhiều loại LIB đã có mặt trên thị trường (Bảng 3).Tuy nhiên, xu thế chung là giảm lượng sử dụng cobalt do giá đắt và ngày càng khan hiếm. Hầu hết các xe máy/ô tô điện hiện sử dụng công nghệ pin NMC, và NCA đang được các nhà sản xuất ô tô nhắm đến.
Bảng 3: So sánh hiệu năng các loại LIB
|
Lithium Cobalt Oxide (LCO), mật độ năng lượng cao. Sony chế tạo ra năm 1991.
|
Lithium Manganese Oxide (LMO), công suất cao. Phòng thí nghiệm Bellcore đã chế tạo năm 1994. 
|
Lithium Iron Phosphate (LFP), vượt trội về tuổi thọ, độ ổn định nhiệt, an toàn. Đại học Texas phát hiện phosphate có thể sử dụng làm cực âm năm 1996.
|
|
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC)
Sự kết hợp của niken- mangan-coban được chú ý vì có hiệu suất tốt.
|
Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA)
Đang thu hút ngành công nghiệp ô tô vì hiệu năng cao, tuổi thọ cao, an toàn và chi phí thấp.
|
Lithium Titanate (LTO), công suất thấp nhưng tuổi thọ cao, an toàn và chi phí rất thấp.
|
Ghi chú: Cost: giá thành, Life span: tuổi thọ, Performance: hiệu suất, Safety: an toàn, Power density: mật độ công suất, Energy density: mật độ năng lượng, Specific power: công suất riêng, Specific energy: năng lượng riêng.
Nguồn: IEEE, Mahammad A. Hannan, Murshadul Hoque, Aini Hussain,Yushaizad Yusof, và Pin Jern Ker; State-of-the-Art and Energy Management System of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicle Applications: Issues and Recommendations.
LIB thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong những năm gần đây do hiệu quả và an toàn, đáp ứng nhu cầu sử dụng tăng cao và đa dạng, bên cạnh đó còn vì nguồn vật liệu điện cực LIB giá khá cao và ngày càng khan hiếm. Dựa trên cơ sở dữ liệu Web of Science, các nhà phân tích cho thấy những năm vừa qua các nghiên cứu về LIB gia tăng thông qua số lượng bài báo khoa học liên quan đến LIB được công bố, trong đó nguồn công bố xuất phát nhiều nhất ở châu Á (Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản), Mỹ và châu Âu (BĐ1, BĐ2).
|
BĐ1: Số lượng bài báo khoa học liên quan đến LIB được công bố
|
BĐ2: Bài báo khoa học liên quan đến LIB được công bố theo quốc gia
|
Nguồn: IEEE, Mahammad A. Hannan, Murshadul Hoque, Aini Hussain,Yushaizad Yusof, và Pin Jern Ker; State-of-the-Art and Energy Management System of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicle Applications: Issues and Recommendations.
LIB tham gia thị trường lần đầu tiên vào năm 1991, sử dụng trong máy quay video. Tuy nhiên, ứng dụng cho điện thoại di động và máy tính xách tay mới thực sự tạo vị thế cho LIB trên thị trường. Từ năm 2010, LIB bắt đầu thống trị thị trường với sự phát triển đa dạng ứng dụng từ các thiết bị điện tử cầm tay, rồi đến các sản phẩm như xe điện tự cân bằng (hover boards), xe đạp điện, máy bay không người lái, tiếp theo là ô tô, xe buýt. Đáng chú ý là từ năm 2016, LIB sử dụng cho ô tô và xe buýt đã vượt qua ứng dụng cho các thiết bị điện tử cầm tay (BĐ3).
BĐ3: LIB bán ra trên thế giới theo ứng dụng
Nguồn: Avicenne Energy.
Thị trường pin thế giới năm 2018 đạt 80 tỉ USD, trong đó LIB chiếm 40 tỉ USD (BĐ4), mức tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) giai đoạn 2008-2018 là 24%, phần lớn rơi vào tay các công ty châu Á như LG Chem, Samsung (Hàn Quốc); BYD, CATL (Trung Quốc); Sanyo (Nhật) (BĐ5).
BĐ4: LIB trên thị trường pin thế giới
Nguồn: Avicenne Energy.
BĐ5: Thị phần LIB trên thế giới
(Theo giá trị toàn cầu ước 40 tỉ USD năm 2018)
Nguồn: Avicenne Energy.
Avicenne Energy, công ty tư vấn thị trường và công nghệ chuyên về năng lượng và pin, dự báo thị trường pin toàn cầu sẽ tăng lên 170 tỉ USD vào năm 2030, với tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trong giai đoạn 2015-2030 là 7%, trong đó LIB có mức tăng trưởng hơn 10% (BĐ6), và dự đoán pin Li-Sulphur sẽ xuất hiện vào năm 2025 và pin Li-Air ra mắt thị trường năm 2030.
BĐ6: Dự báo xu hướng thị trường pin toàn cầu
Nguồn: Avicenne Energy.
Ở Việt Nam phần lớn các loại pin/ắc quy được nhập khẩu. Năm 2018 nhập 34,479 triệu USD LIB và các loại pin/ắc quy khác (Nguồn: marketresearch.com, Vietnam Battery Market - Growth, Trends, and Forecast (2020 - 2025)). Thị trường rộng lớn của LIB đã thu hút chú ý của các doanh nghiệp: tại Khu Công nghệ cao TP.HCM đã có các startup như Công ty Powercentric đưa ra thị trường nhiều loại LIB mang thương hiệu MOPO; Công ty Năng lượng Bảo Sơn sản xuất đưa ra thị trường LIB dùng cho xe đạp điện. Năm 2019, VinFast đã thành lập một liên doanh với LG Chem (Hàn Quốc) để sản xuất LIB cho xe máy và ô tô điện, nhà máy sản xuất được xây dựng tại Hải Phòng. Trong kế hoạch năm 2020, Công ty Cổ phần Phát triển năng lượng Sơn Hà sẽ thành lập liên doanh với đối tác là Công ty ETess (Hàn Quốc) để sản xuất LIB. Hy vọng nền móng cho lĩnh vực sản xuất pin công nghệ tiên tiến ở nước ta sẽ vững chắc với sự vào cuộc của các doanh nghiệp.
Anh Tùng (CESTI)