Công nghệ pin đang trở thành tâm điểm mới của ngành xe điện khi các nhà sản xuất tìm cách giảm chi phí, kéo dài tuổi thọ và cải thiện hiệu suất. Sau giai đoạn pin NMC gần như thống trị ô tô và xe van điện trong thập niên 2010, thị trường đang chuyển sang nhiều hướng phát triển khác nhau, từ LFP, LMFP, natri ion đến pin thể rắn.
Trong suốt thập niên 2010, phần lớn ô tô và xe van điện sử dụng pin lithium ion với hóa học NMC, tức lithium nickel manganese cobalt oxide. Công nghệ này đã phát triển đủ để mang lại tầm hoạt động hơn 400 dặm trên nhiều mẫu xe điện hiện đại, nhưng việc sử dụng cobalt vẫn gây tranh luận vì chi phí cao và các vấn đề đạo đức trong chuỗi cung ứng.
Tỷ lệ cobalt trong pin NMC đã được giảm mạnh theo thời gian, trong khi nickel được sử dụng nhiều hơn để thay thế. Tuy nhiên, nickel cũng là vật liệu đắt đỏ và chuỗi cung ứng của kim loại này có thể tạo ra lượng phát thải carbon lớn. Vì vậy, nhiều hãng pin và nhà sản xuất xe điện đang tìm kiếm các lựa chọn khác nhằm cải thiện chi phí, tính bền vững và hiệu năng.
Sự thay đổi lớn đầu tiên là việc pin LFP, tức lithium iron phosphate, được đưa vào ô tô và xe van điện. Loại pin này không chứa nickel hay cobalt, trong khi các thành phần chính rẻ hơn và phổ biến hơn. LFP cũng chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả hơn NMC, đồng thời có mức độ an toàn cao, dù bản thân pin NMC hiện cũng đã an toàn hơn nhiều so với động cơ đốt trong ở khía cạnh rủi ro cháy nổ.
Điểm hạn chế của LFP là mật độ năng lượng thấp hơn NMC, đồng nghĩa cùng một khối lượng hoặc thể tích pin sẽ cho tầm hoạt động ngắn hơn. Trong thập niên 2010, điều này khiến LFP chủ yếu xuất hiện trên xe buýt điện, nơi có đủ không gian để lắp bộ pin lớn. Đến đầu thập niên 2020, cải tiến về cell pin và cách đóng gói pin đã giúp các hãng tạo ra xe dùng LFP có tầm hoạt động hơn 200 dặm.
Hiện nay, LFP đã xuất hiện trên các phiên bản Standard Range của Tesla, nhiều hãng xe Trung Quốc và một số nhà sản xuất châu Âu. Công nghệ này đang được phát triển theo 3 hướng chính, gồm tăng tuổi thọ, tăng tốc độ sạc và nâng mật độ năng lượng. CATL đã giới thiệu pin xe buýt điện dùng hóa học LFP với bảo hành 15 năm hoặc 1,5 triệu km nhờ các phụ gia giúp giảm suy giảm dung lượng.
Ở khía cạnh sạc nhanh, việc điều chỉnh cấu trúc điện cực và sử dụng phụ gia làm giảm điện trở nội đang giúp pin LFP đạt công suất sạc ngày càng cao. BYD đang triển khai mạng Flash Charging có khả năng cung cấp công suất 1,5 MW cho các mẫu xe điện mới dùng LFP, cho phép sạc từ 10% lên 70% trong 5 phút. Nếu được mở rộng, đây có thể là bước tiến đáng kể trong trải nghiệm sử dụng xe điện.
Một nhánh phát triển khác là LMFP, được tạo ra bằng cách thay một phần sắt trong LFP bằng manganese. Cách làm này giúp tăng điện áp của cell pin, qua đó tăng lượng năng lượng mà pin lưu trữ. LMFP vì vậy được kỳ vọng giúp pin LFP tiệm cận tầm hoạt động của NMC, trong khi vẫn giữ lợi thế chi phí thấp và ít gây tranh cãi hơn về chuỗi cung ứng.
Ngoài lithium, pin ion natri cũng đang được xem là giải pháp giúp giảm giá xe điện phổ thông. Một số hóa học natri ion rẻ nhất được dự báo có thể có chi phí thấp hơn LFP khoảng 40% vào năm 2030, nhưng lợi thế này chỉ thực sự rõ rệt khi công nghệ được sản xuất ở quy mô rất lớn. Pin ion natri có ưu điểm là ít mất dung lượng hữu dụng trong điều kiện đóng băng, tuổi thọ chu kỳ dài và có thể xả về 0 volt một cách an toàn, giúp việc vận chuyển rẻ hơn và an toàn hơn.
Nhược điểm của natri là nguyên tử lớn hơn lithium nhưng chỉ truyền cùng số electron trong quá trình sạc và xả, khiến mật độ năng lượng thường thấp hơn pin lithium ion. Tuy vậy, CATL đã ra mắt cell pin ion natri có mật độ năng lượng tương đương LFP và tuổi thọ 10.000 chu kỳ. Xe điện dùng pin ion natri cũng đã xuất hiện tại Trung Quốc, đặc biệt hướng tới các khu vực lạnh nhờ hiệu suất mùa đông tốt hơn.
Bước tiến lớn nhất về tầm hoạt động có thể đến từ pin thể rắn. Công nghệ này thay lớp phân tách polymer và chất điện phân lỏng trong pin lithium ion truyền thống bằng một thành phần rắn, qua đó cải thiện an toàn do loại bỏ chất điện phân lỏng dễ cháy. Thiết kế này cũng có thể cho phép dùng điện cực âm bằng lithium tinh khiết, giảm rủi ro hình thành nhánh lithium gây đoản mạch bên trong cell pin.
Nếu loại bỏ được than chì cồng kềnh đang dùng trong điện cực âm của pin lithium ion hiện nay, pin thể rắn có thể tiết kiệm đáng kể không gian và khối lượng. Về lý thuyết, điều này có thể giúp tầm hoạt động của xe điện tăng gấp đôi so với hiện nay. Tuy nhiên, pin thể rắn gồm nhiều hướng hóa học khác nhau, trong đó các chất điện phân polymer, sulphide và ceramic có mức chi phí, độ an toàn và hiệu quả sạc nhanh khác nhau.
BMW đang thử nghiệm pin thể rắn nền sulphide trên mẫu i7, nhưng cho biết chưa đưa loại cell này vào xe điện thương mại trước ít nhất năm 2033 do rào cản chi phí. Một số thương hiệu Trung Quốc đã bắt đầu giới thiệu pin bán thể rắn trên xe điện tại Anh, như MG4 EV Urban, nhưng loại pin này vẫn chứa chất điện phân lỏng dễ cháy và chưa đạt đến kỳ vọng của pin thể rắn hoàn toàn. Trong vài năm tới, pin xe điện nhiều khả năng sẽ đa dạng hơn rõ rệt, nhưng tốc độ phổ cập còn phụ thuộc vào chi phí, năng lực sản xuất và cả yếu tố địa chính trị.
