[Pin LMR] Pin giàu lithium và mangan (LMR) được LG Energy Solution và GM lựa chọn, liệu có trở thành giải pháp thay thế cho LFP?

Ngành công nghiệp pin cho xe điện đang tiến hành phát triển pin giàu lithium và mangan (LMR) như một giải pháp thay thế để vừa đảm bảo khả năng cạnh tranh về giá, vừa đảm bảo mật độ năng lượng. LMR là công nghệ pin tăng tỷ trọng sử dụng mangan trong vật liệu cathode và giảm sử dụng niken và coban. Mục tiêu phát triển là giảm bớt gánh nặng chi phí nguyên liệu bằng cách hạ thấp sự phụ thuộc vào niken và coban, đồng thời đạt được mật độ năng lượng cao hơn so với pin lithium sắt phosphate (LFP).

Gần đây, khi LG Energy Solution và GM đưa ra kế hoạch sản xuất pin LMR dạng khối, sự chú ý của thị trường đang đổ dồn vào khả năng thương mại hóa của LMR. Tuy nhiên, quy mô thị trường được dự báo sẽ vẫn còn hạn chế. BloombergNEF nhận định rằng vật liệu cathode LMR sẽ bắt đầu được áp dụng cho pin xe điện dành cho xe con từ sau năm 2027 và sẽ chiếm khoảng 3% tổng nhu cầu vật liệu cathode cho xe điện dành cho xe con vào năm 2035. S&P Global Mobility cũng dự đoán việc phổ biến rộng rãi các loại pin hệ mangan cao có thể khả thi từ sau thập niên 2030.

Pin LMR là pin lithium-ion sử dụng vật liệu cathode hệ mangan giàu lithium. Mangan được đánh giá là nguyên tố có gánh nặng giá thành thấp hơn niken và coban, đồng thời có nguồn cung tương đối dồi dào. Vật liệu cathode LMR hướng tới việc cắt giảm chi phí bằng cách tăng tỷ trọng mangan thay vì giảm hoặc loại bỏ việc sử dụng niken và coban.

Ngoài ra, LMR được thiết kế để có thể lưu trữ nhiều điện năng hơn so với các vật liệu cathode hiện có. Đây là phương pháp nâng cao dung lượng lưu trữ bằng cách tận dụng cả phản ứng oxy trong vật liệu cathode cùng với các thành phần kim loại như mangan, niken và coban trong quá trình sạc và xả. Mitsui & Co. Global Strategic Studies Institute phân tích rằng vật liệu cathode LMR có thể đạt dung lượng trên 250mAh/g. Đây là lượng điện năng mà 1g vật liệu cathode có thể lưu trữ, cao hơn khoảng 47% so với mức 170mAh/g của vật liệu cathode LFP. Viện nghiên cứu cũng cho biết mật độ năng lượng của pin LMR về mặt lý thuyết có thể đạt trên 500Wh/kg. Hiện tại, mật độ năng lượng của các cell pin lithium-ion thương mại đang được sử dụng trong xe điện thường ở mức 160~290Wh/kg.

Tuy nhiên, vấn đề phát sinh khí gas của pin LMR vẫn là một thách thức đối với việc thương mại hóa. Vật liệu cathode LMR có khả năng bị thay đổi cấu trúc tinh thể sau nhiều lần sạc và xả, dẫn đến việc giảm điện áp hoạt động và tuổi thọ; nếu phản ứng oxy bên trong vật liệu cathode trở nên không ổn định trong quá trình sạc và xả, nó sẽ dẫn đến hư hỏng cấu trúc bên trong và phát sinh khí gas. Đặc biệt, trong các cell lớn dành cho xe điện với không gian bên trong hạn chế, khí gas này làm tăng áp suất nội bộ, gây ra sự suy giảm hiệu suất.

Các nhà nghiên cứu tại LG Energy Solution và Đại học Quốc gia Seoul đã đề xuất phương pháp điều chỉnh phạm vi điện áp sạc/xả và hạ thấp nhiệt độ của quy trình kích hoạt ban đầu để giảm thiểu việc phát sinh khí gas và giảm sút tuổi thọ. Phương pháp này điều chỉnh điện áp sạc và xả để ổn định phản ứng oxy bên trong vật liệu cathode, đồng thời sử dụng quy trình nhiệt độ thấp để giảm lượng khí gas phát sinh ban đầu. Kết quả nghiên cứu áp dụng trên cell LMR kích thước lớn loại 40Ah cho thấy, ngay cả sau 883 lần sạc và xả, pin vẫn duy trì được 92,2% năng lượng ban đầu.

Một đại diện của LG Energy Solution cho biết: "Nghiên cứu này đã giải quyết một trong những thách thức chính mà pin LMR đang đối mặt. Bằng cách ức chế hiệu quả sự phát sinh khí gas, chúng tôi đã chứng minh rằng có thể đảm bảo tuổi thọ pin ổn định ngay cả trong các cell lớn, điều này cung cấp nền tảng quan trọng cho sự tăng trưởng của thị trường pin LMR thế hệ tiếp theo."

Hiện tại, những đơn vị tích cực nhất trong việc thương mại hóa pin LMR là LG Energy Solution và GM. Công ty liên doanh của hai bên, Ultium Cells, có kế hoạch xây dựng thêm thiết bị sản xuất cell LMR dạng khối vào các cơ sở sản xuất cell pin hiện có.

Vào ngày 29 tháng trước, Ultium Cells đã thông báo về việc xây dựng hệ thống sản xuất cell LMR dạng khối tại nhà máy Spring Hill ở Tennessee, Hoa Kỳ. Công ty dự kiến sẽ xây dựng thiết bị sản xuất LMR theo phương thức bổ sung cho hệ thống sản xuất hiện có, với mục tiêu bắt đầu cải tạo nhà máy và nâng cấp thiết bị từ cuối năm nay và hoàn tất vào năm 2028.

Thông báo này là bước tiếp theo của kế hoạch thương mại hóa chung mà hai bên đã đưa ra vào tháng 5 năm ngoái. Vào thời điểm đó, LG Energy Solution và GM đã đưa ra mục tiêu bắt đầu sản xuất thử nghiệm cell LMR dạng khối tại các cơ sở của LG Energy Solution vào cuối năm 2027 và bắt đầu sản xuất thương mại tại Hoa Kỳ vào năm 2028. GM có kế hoạch áp dụng cell LMR dạng khối cho các dòng xe bán tải điện và xe thể thao đa dụng (SUV) cỡ lớn trong tương lai.

Lý do GM muốn đưa LMR vào sử dụng là để mở rộng các lựa chọn pin nhằm đáp ứng yêu cầu về giá cả và quãng đường di chuyển của từng loại xe. GM hiện đang thúc đẩy phương án sử dụng pin niken cao cho các dòng xe cần di chuyển đường dài và áp dụng pin LFP cho các dòng sản phẩm nhằm giảm bớt gánh nặng chi phí. Bên cạnh đó, họ có kế hoạch bổ sung pin LMR để tạo ra một lựa chọn có mật độ năng lượng cao hơn LFP và có khả năng cạnh tranh về giá.

Hai công ty đang đặt mục tiêu tăng mật độ năng lượng của cell pin LMR lên cao hơn 33% so với pin LFP, trong khi duy trì mức chi phí tương đương. Nếu hiệu suất này được hiện thực hóa, có thể tăng quãng đường di chuyển với cùng một kích thước bộ pin hoặc giảm lượng cell pin lắp đặt trong khi vẫn duy trì cùng một quãng đường di chuyển.

Không chỉ LG Energy Solution và GM, mà cả Ford cũng đang thúc đẩy thương mại hóa pin LMR. Ford cho biết họ đã phát triển cell LMR tại trung tâm nghiên cứu và phát triển pin 'Ford Ion Park' vào tháng 4 năm ngoái và đang sản xuất cell thế hệ thứ hai trên dây chuyền thử nghiệm (pilot line). Công ty có kế hoạch áp dụng công nghệ LMR vào các dòng xe điện tương lai trước năm 2030.

Ford giải thích rằng họ đang phát triển cell LMR với mục tiêu đạt được mức độ an toàn tương đương với pin LFP, mật độ năng lượng cao hơn pin niken cao và chi phí thấp hơn so với pin niken trung bình hiện nay. Thông qua đó, công ty dự định tăng quãng đường di chuyển của xe điện và giảm giá bán.

Các công ty vật liệu cực dương cũng đang tiến hành song song việc phát triển sản phẩm và chuẩn bị sản xuất. POSCO Future M đã cùng hợp tác phát triển công nghệ thương mại hóa vật liệu cực dương LMR với các doanh nghiệp sản xuất ô tô và pin toàn cầu từ năm 2023, và đã thành công trong việc sản xuất thử nghiệm vào năm 2024. Vào tháng 5 năm ngoái, công ty đã đưa ra kế hoạch sau khi cải thiện mật độ năng lượng, hiệu suất sạc/xả và độ ổn định, họ sẽ đảm bảo công nghệ sản xuất hàng loạt trong năm nay và tiến hành các đơn hàng lớn. POSCO Future M giải thích rằng họ có thể xây dựng hệ thống sản xuất hàng loạt vật liệu cực dương LMR bằng cách tận dụng các dây chuyền sản xuất vật liệu cực dương niken, coban và mangan (NCM) hiện có, từ đó giảm bớt gánh nặng đầu tư thiết bị quy mô lớn mới.

Công ty vật liệu châu Âu Umicore cũng đã thúc đẩy công nghiệp hóa vật liệu cực dương hệ mangan. Umicore đã bắt tay vào công nghiệp hóa công nghệ vật liệu hoạt tính cực dương mangan hàm lượng lithium cao (HLM) vào tháng 2 năm 2023, và đặt mục tiêu sản xuất thương mại và ứng dụng cho xe điện vào năm 2026. Vào thời điểm đó, công ty cho biết họ đang tiến hành các chương trình phát triển sản phẩm HLM với các nhà sản xuất ô tô và cell pin, đồng thời đã trang bị năng lực chuẩn bị sản xuất để có thể cung cấp lượng lớn HLM cần thiết cho các thử nghiệm của khách hàng.

Umicore đánh giá HLM là vật liệu có khả năng giảm chi phí do làm giảm lượng sử dụng niken và không sử dụng coban, đồng thời có thể cung cấp quãng đường di chuyển dài hơn so với LFP, độ an toàn tương đương và khả năng tái chế cao. Về mặt sản xuất, công ty đưa ra lợi thế là có thể tận dụng các cơ sở sản xuất vật liệu cực dương NCM hiện có. Umicore đã đề cập đến các nhà máy tại Hàn Quốc và Ba Lan, nơi hiện đang sản xuất vật liệu hoạt tính cực dương NCM, là những ứng cử viên cho việc sản xuất HLM.