Vì sao chi phí sản xuất xe điện vẫn còn đắt đỏ?

Nếu không tính trợ cấp của các chính phủ, giá bán xe điện vẫn còn cao hơn nhiều so với xe động cơ đốt trong truyền thống, chủ yếu do chi phí pin lithium-ion chưa giảm nhanh được.

Tesla muốn đưa giá bán xe điện về mức 25.000 đô

Tại sự kiện Ngày Pin (Battery Day) do hãng xe điện Tesla tổ chức hồi tháng 9, Giám đốc điều hàng Tesla, Elon Musk đặt mục tiêu tham vọng: sản xuất xe điện có giá bán 25.000 đô la mỗi chiếc trong vòng 3 năm tới. Mức giá đó, thấp hơn khoảng 13.000 đô la so với mẫu xe điện rẻ nhất hiện nay của Tesla, được xem là điểm giá quan trọng để tạo ra một sản phẩm đại chúng thực sự.

Để đạt mục tiêu đó đòi hỏi phải giảm chi phí công nghệ, quan trọng nhất là pin lithium-ion, vốn đang chiếm 1/3 chi phí sản xuất một chiếc xe điện. Elon Musk cho biết các sáng tạo và năng lực tự sản xuất của Tesla có thể nhanh chóng giúp chi phí pin lithium-ion giảm xuống 50% so với hiện nay.

Chi phí sản xuất pin xe điện cao chủ yếu do các vật liệu sử dụng ở pin còn cao. Xe điện sử dụng bộ pin lithium-ion có thể tái sạc giống như các viên pin lithium-ion ở laptop hay smartphone (điện thoại thông minh). Nhưng bộ pin lithium-ion ở xe điện có kích cỡ lớn hơn nhiều vì kết hợp hàng ngàn viên pin lithium-ion để có thể trữ nhiều điện hơn.

Các vật liệu cần thiết như cobalt, nickel, lithium và mangan để tạo ra điện cực dương ở pin xe điện thường đắt đỏ. Chúng cần phải được khai thác, xử lý và chuyển thành các hợp chất có độ tinh khiết cao. Cobalt là vật liệu quan trọng đối với pin xe điện vì nó có mật độ năng lượng cao, cho phép giảm trọng lượng pin. Ngoài ra, nó cũng có các ưu điểm khác như chịu đựng nhiệt độ cao, chống ăn mòn và dễ dàng tái chế.

Giá của cobalt, kim loại quí có màu xanh da trời đặc trưng còn được gọi là ‘vàng xanh’, từng có lúc lên hơm 90.000 đô la/tấn. Hiện nay, giá cobalt đã giảm về còn khoảng 33.000 đô la/tấn, cao gấp đôi so với giá nickel. Hiện tại, chi phí trung bình cho một bộ pin lithium-ion sử dụng ở xe điện khoảng 7.350 đô la Mỹ. Con số này đã giảm rất nhiều, khoảng 87% so với cách đây 10 năm, theo Công ty BloombergNEF.

Chi phí sản xuất pin xe điện hiện nay khoảng 156 đô la/kWh, giảm mạnh so với mức 1.183 đô la/kWh vào năm 2010. Dòng xe Model 3 của Tesla có ba phiên bản pin với công suất lần lượt 54, 62 và 75 kWh. Có nghĩa là chỉ riêng chi phí pin cho xe Model 3 đã lên đến 8.400 đến 11.700 đô la tùy phiên bản.

Nỗ lực thay thế vật liệu cobalt

Công nghệ pin lithium-ion chiếm lĩnh thị trường pin tái sạc kể từ khi chính thức được thương mại hóa bởi Sony vào năm 1991. Pin lithium-ion có các thành phần cơ bản: hai điện cực gồm điện cực dương và điện cực âm và dung dịch điện ly để truyền dẫn điện tích giữa hai điện cực. Năng lượng (điện) sẽ được giải phóng từ pin khi các ion lithium chạy từ điện cực âm sang điện cực dương khi xe chạy. Các ion này sẽ chuyển động theo hướng ngược lại khi xe được sạc pin.

Nhưng có sự khác biệt trong sự kết hợp các vật liệu để thiết lập các điện cực ở pin lithium-ion. Cực dương của pin xe điện thường được làm bằng hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và lithium như lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium iron phosphate (LiFePO4), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel cobalt aluminium oxide (NCA)...Cực âm được làm bằng graphite ( than chì ) và các vật liệu cacbon khác.

Các hệ thống pin khổng lồ trữ điện ở các lưới điện hay pin sử dụng cho xe điện vận chuyển ở quảng đường ngắn có thể sử dụng kết hợp các hóa chất điện cực dương rẻ hơn nhưng trữ điện kém hơn bao gồm lithium, sắt và phosphate (lithium iron phosphate).

Đối với các xe điện có hiệu suất cao, hoạt động ở quãng đường dài hơn sau mỗi lần sạc, các nhà sản xuất thường sử dụng tổ hợp các vật liệu điện cực dương có thể trữ điện nhiều hơn gồm lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC) hoặc lithium-nickel-cobalt-aluminium oxide (NCA).

Mức chi phí sản xuất pin hiện nay vẫn cao hơn ngưỡng cần thiết 100 đô la/kWh để giúp xe điện có giá ngang bằng xe động cơ đốt trong. Chi phí pin lithium-ion có thể hướng đến mức 93 đô la/kWh vào năm 2024, theo dự báo của BloombergNEF.

Để đạt mục tiêu đó, một trong những ưu tiên của các nhà sản xuất là thay thế vật liệu cobalt có chi phí cao bằng nickel ở pin xe điện. Điều này có hai lợi ích: nickel có chi phí rẻ hơn và trữ được nhiều năng lượng hơn, cho phép các nhà sản xuất giảm trọng lượng pin.

Nhưng mặt khác, ưu điểm của cobalt là nó không quá nóng và dễ dàng bắt lửa. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất phải có những điều chỉnh về an toàn nếu sử dụng nickel để thay thế cobalt. Hãng Panasonic (Nhật Bản) dự định tung ra thị trường phiên bản pin lithium-ion không sử dụng cobalt trong 2-3 năm tới.

Hồi tháng 9, Công ty sản xuất pin xe điện SVOLT Energy Technology (Trung Quốc) cho biết sẽ cung cấp pin lithium-ion không có cobalt cho hãng xe Great Wall Motor vào năm sau. Loại pin mới này sẽ sử dụng khoảng 75% nickel, 25% mangan và một tỷ lệ nhỏ các kim loại khác để tăng hiệu suất trữ năng lượng. Công ty Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL) của Trung Quốc cũng đang tìm cách giảm cobalt ở pin xe điện.

Triển vọng pin lithium-ion thể rắn

Châu Á là nơi sản xuất pin lithium-ion lớn nhất thế giới hiện nay, tập trung ở Trung Quốc. CATL là công ty có doanh số bán pin lithium-ion cao nhất thế giới (bao gồm cả pin trữ điện cho các lưới điện) trong năm 2019. Nếu chỉ xét đến phân khúc pin lithium-ion cho xe điện, Panasonic là công ty có doanh số lớn nhất thế giới vào năm ngoái.

Trong năm nay, Công ty LG Chem (Hàn Quốc) vươn lên dẫn đầu, chiếm khoảng 25% thị phần pin xe điện trong 8 tháng đầu năm nay, theo SNE Research. Một liên doanh của Tesla và Panasonic đang là nhà sản xuất pin xe điện lớn nhất ở Mỹ.

Nhiều sáng tạo về pin trong phòng thí nghiệm có thể ứng dụng vào dây chuyền sản xuất vào cuối thập kỷ này. Chẳng hạn, Công ty Sila Nanotechnologies ở California đang đưa silicon vào điện cực âm của pin để thay thế cho graphite, cho phép mật độ năng lượng của pin tăng thêm 20% và có khả năng tăng thêm 40% so với pin lithium-ion truyền thống.

Toyota và các công ty khởi nghiệp ở Mỹ bao gồm QuantumScape đang chạy đua hướng đến mục tiêu thương mại hóa pin lithium-ion thể rắn, tức thay đổi cấu trúc của pin lithium-ion truyền thống bằng cách sử dụng chất điện ly thể rắn như sứ, thủy tinh hoặc polymer thay cho các dung dịch điện ly.

Chất điện ly dạng khô sẽ giúp pin không bị quá nóng và dễ dàng bắt lửa như chất điện ly lỏng, nâng cao tính an toàn. Ngoài ra, chất điện ly dạng khô giúp tăng mật độ năng lượng của pin, cho phép xe chạy ở quãng đường xa hơn sau mỗi lần sạc. Bước tiến mới này cũng hứa hẹn giảm chi phí sản xuất và thời gian sạc của pin xe điện.

Động cơ điện, chiếm khoảng 10% chi phí sản xuất xe điện, có thể rẻ hơn khoảng 5% trong hai năm tới nhờ các tiến bộ về vật liệu cũng như linh kiện điện tử truyền dẫn điện giữa pin, động cơ và bánh xe, theo BloombergNEF.

Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng đang chú ý đến cách thiết kế các bộ pin lithium-ion. Đơn giản hóa cách thiết kế và sử dụng một mẫu thiết kế chuẩn cho tất cả mẫu xe điện có tầm hoạt động ở những quãng đường khác nhau sẽ giúp giảm thêm chi phí pin.

Với những tiến bộ công nghệ trên, BNEF dự báo xe điện sẽ chiếm 10% doanh số xe toàn cầu vào năm 2025 và tỷ lệ này sẽ lên 58% vào năm 2040.

Theo Bloomberg