Theo trang công nghệ IT Home của Trung Quốc, pin lithium-air đang thu hút sự chú ý nhờ khả năng giúp ô tô điện di chuyển tới 2.000 km sau mỗi lần sạc. Công nghệ này được cho là có mật độ năng lượng cao gấp 5 lần pin thể rắn.
Về lý thuyết, pin lithium-air có thể đạt mức năng lượng riêng khoảng 3.505 Wh/kg. Tuy nhiên, đây chỉ là tiềm năng của phản ứng điện hóa, không phải thông số thực tế của một bộ pin hoàn chỉnh dùng trên ô tô.
Thông tin liên quan đến CATL bắt nguồn từ phát biểu của ông Wu Kai - nhà khoa học trưởng của hãng - tại Diễn đàn Equipment Powerhouse 2026. Ông xác nhận pin lithium-air là một trong những hướng nghiên cứu dài hạn của CATL.
Trong kế hoạch phát triển công nghệ pin, CATL đang ưu tiên thương mại hóa pin natri-ion và pin thể rắn hoàn toàn. Trong khi đó, pin lithium-air vẫn ở giai đoạn nghiên cứu và cần thêm nhiều thời gian để hoàn thiện.
Đến nay, CATL chưa công bố kế hoạch sản xuất ô tô điện có phạm vi hoạt động 2.000 km, cũng như thời điểm thương mại hóa loại pin này.
Trên thực tế, khoảng cách từ tiềm năng lý thuyết đến khả năng ứng dụng trên ô tô vẫn rất lớn. Các nhà sản xuất phải giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến việc cung cấp oxy, độ ổn định hóa học, khả năng sạc lại và hệ thống thiết bị đi kèm.
Pin lithium-air hoạt động như thế nào?
Pin lithium-ion thông thường lưu trữ lithium trong hai điện cực. Khi sạc hoặc xả, các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương.
Trong khi đó, pin lithium-air sử dụng lithium kim loại làm điện cực âm và oxy từ môi trường bên ngoài để tham gia phản ứng tại điện cực dương.
Khi pin xả điện, lithium phản ứng với oxy và tạo thành lithium peroxide (Li₂O₂) bên trong điện cực dương có cấu trúc xốp. Khi sạc, phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại, giải phóng oxy và đưa ion lithium trở về điện cực âm.
Nhờ tận dụng oxy từ bên ngoài thay vì lưu trữ toàn bộ vật liệu phản ứng trong pin, công nghệ này có tiềm năng đạt mức năng lượng riêng rất cao.
Con số 3.505 Wh/kg thường được nhắc đến là giá trị lý thuyết của phản ứng tạo lithium peroxide, có tính cả khối lượng oxy tham gia phản ứng.
Một số cách tính khác đưa ra mức gần 12.000 Wh/kg do không tính khối lượng oxy. Tuy nhiên, cả hai con số đều không phản ánh mật độ năng lượng của một bộ pin ô tô hoàn chỉnh.
Khi đưa vào sử dụng thực tế, bộ pin còn cần chất điện phân, điện cực, linh kiện bảo vệ và thiết bị xử lý không khí. Những thành phần này đều làm tăng khối lượng và kích thước hệ thống.
Nhiều kết quả khả quan trong phòng thí nghiệm nhưng chưa đủ để thương mại hóa
Pin lithium-air không phải hướng nghiên cứu mới. Từ năm 2009, IBM đã triển khai dự án Battery 500 nhằm phát triển loại pin metal-air giúp ô tô điện chạy khoảng 805 km sau mỗi lần sạc.
Dự án có sự tham gia của nhiều trường đại học và doanh nghiệp, nhưng cuối cùng không tạo ra sản phẩm pin ô tô được thương mại hóa.
-144939.jpg)
Những nghiên cứu gần đây tiếp tục tập trung khắc phục các hạn chế về hóa học, đặc biệt là tình trạng sản phẩm phản ứng tích tụ và gây tắc nghẽn điện cực dương.
Năm 2025, nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, trong đó có Giáo sư Peng Tan, đã tìm hiểu ảnh hưởng của khả năng vận chuyển oxy trong chất điện phân đối với phản ứng của pin lithium-oxy.
Thông qua thử nghiệm với điện cực dày, nhóm phát hiện trở lực vận chuyển vật chất có thể khiến phản ứng diễn ra khác nhau tại từng vị trí trong điện cực.
Kết quả này giúp cải thiện hiểu biết về thiết kế điện cực, nhưng chưa giải quyết triệt để vấn đề tắc nghẽn khi ứng dụng trên ô tô.
Một bước tiến khác được công bố năm 2024 trên tạp chí Advanced Energy Materials bởi các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Cát Lâm và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.
Nhóm phát triển một cấu hình pin lithium-air dạng túi, sử dụng chất điện phân polymer tạo gel trực tiếp trong pin. Kết quả thử nghiệm ghi nhận mức năng lượng riêng 757,5 Wh/kg.
Bộ pin cũng hoàn thành 241 chu kỳ sạc-xả trong điều kiện phòng thí nghiệm, với mật độ dòng điện 500 mA/g và dung lượng giới hạn 1.000 mAh/g.
Dù đáng chú ý, các thông số này chưa được kiểm chứng trên bộ pin hoàn chỉnh dành cho ô tô thương mại.
Trước đó, vào năm 2023, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Illinois và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ đã công bố một hướng phát triển khác trên tạp chí Science.
Họ sử dụng cấu trúc pin lithium-air thể rắn với phản ứng trao đổi bốn electron, tạo thành lithium oxide (Li₂O) thay vì lithium peroxide như thông thường.
Loại pin này đạt ít nhất 1.000 chu kỳ sạc-xả ở nhiệt độ phòng. Mật độ năng lượng tiềm năng được ước tính khoảng 1.200 Wh/kg, nhưng đây vẫn là giá trị lý thuyết, không phải kết quả đo trên pin thương mại.
Nhìn chung, các công trình trên cho thấy công nghệ lithium-air đang có tiến triển. Tuy nhiên, sự khác biệt về thành phần hóa học, điều kiện thử nghiệm và phương pháp đo khiến việc so sánh trực tiếp giữa các kết quả trở nên khó khăn.
Quan trọng hơn, chưa có nghiên cứu nào chứng minh loại pin này đã sẵn sàng để sản xuất hàng loạt cho xe du lịch.
Ba rào cản lớn khi ứng dụng pin lithium-air trên ô tô điện
1. Hệ thống cung cấp không khí làm tăng trọng lượng và độ phức tạp
Pin lithium-air cần oxy để hoạt động, nhưng đồng thời phải hạn chế hơi nước và khí CO₂ xâm nhập. Các tạp chất này có thể gây ra những phản ứng không mong muốn, làm suy giảm chất lượng điện cực và chất điện phân.
Cụ thể, hơi nước có thể phản ứng với lithium kim loại, trong khi CO₂ có thể tạo thành lithium carbonate (Li₂CO₃). Các chất tích tụ trong điện cực xốp sẽ cản trở oxy lưu thông, khiến dung lượng pin giảm dần.
Vì vậy, ô tô sử dụng loại pin này cần có hệ thống hút khí, lọc không khí, kiểm soát độ ẩm và có thể thêm thiết bị xử lý khí chuyên dụng. Những bộ phận này không chỉ chiếm diện tích, tăng trọng lượng mà còn tiêu thụ điện năng.
-145010.jpg)
Một nghiên cứu đăng trên Journal of Energy Storage năm 2023 đã đề xuất hệ thống thiết bị phụ trợ cho ô tô dùng pin lithium-air. Theo tính toán, các thiết bị này tiêu thụ khoảng 5,4% công suất pin trong cấu hình xe được nghiên cứu.
Dù chỉ áp dụng cho một thiết kế cụ thể, kết quả cho thấy việc vận hành pin lithium-air trên ô tô đòi hỏi thêm một lượng năng lượng đáng kể.
2. Độ bền và hiệu suất sạc-xả vẫn là bài toán khó
Một trở ngại lớn khác là khả năng sạc lại nhiều lần. Trong quá trình sạc, lithium peroxide hình thành trước đó phải được phân hủy và loại bỏ khỏi điện cực dương. Quá trình đảo ngược phản ứng này cần thêm năng lượng, đồng thời có thể tạo ra các dạng oxy có hoạt tính cao.
Những chất này dễ tấn công chất điện phân và các thành phần khác trong pin, dẫn đến suy giảm dung lượng và rút ngắn tuổi thọ.
Bản thân điện cực lithium kim loại cũng có thể mất ổn định khi lithium liên tục lắng đọng rồi hòa tan qua nhiều chu kỳ sạc-xả. Do đó, mật độ năng lượng ban đầu cao không đồng nghĩa pin có thể hoạt động bền bỉ sau hàng trăm hoặc hàng nghìn lần sạc.
Bên cạnh đó, hiệu suất sạc-xả thấp khiến xe cần tiêu thụ nhiều điện hơn để thu được cùng một lượng năng lượng sử dụng thực tế.
Một phần năng lượng thất thoát chuyển thành nhiệt, làm tăng yêu cầu đối với hệ thống làm mát. Thiết bị xử lý không khí cũng tiếp tục tiêu thụ điện trong quá trình vận hành.
Vì vậy, khi đánh giá loại pin này, các nhà sản xuất phải tính đến toàn bộ hệ thống, thay vì chỉ xem xét mật độ năng lượng của từng tế bào pin.
3. Mật độ năng lượng cao chưa chắc giúp ô tô vận hành tốt hơn
Mật độ năng lượng theo khối lượng cho biết pin có thể lưu trữ bao nhiêu điện năng trên mỗi kg. Trong khi đó, mật độ năng lượng theo thể tích phản ánh lượng điện có thể chứa trong một không gian nhất định.
Ngoài hai yếu tố trên, công suất pin cũng rất quan trọng, bởi đây là thông số quyết định tốc độ cung cấp năng lượng. Một mẫu ô tô điện cần đáp ứng đồng thời cả ba yêu cầu.
Pin có thể lưu trữ rất nhiều năng lượng nhưng nếu công suất thấp, xe vẫn gặp khó khăn khi tăng tốc, vượt xe khác hoặc duy trì vận tốc cao trong thời gian dài.
Tương tự, nếu mật độ năng lượng theo thể tích không đủ tốt, bộ pin có thể chiếm quá nhiều không gian, gây khó khăn khi bố trí dưới sàn xe. Ngay cả giải pháp đổi pin nhanh cũng không thể khắc phục những hạn chế về hóa học.
Việc đổi pin chỉ giúp luân chuyển các bộ pin giữa xe và trạm sạc. Phương pháp này không thể phục hồi chất điện phân đã hư hỏng, đảo ngược quá trình phân hủy hóa học hay loại bỏ hoàn toàn các chất lắng đọng trong điện cực.
