Tìm hiểu về pin xe điện, ô tô điện đang sử dụng pin gì?

Các hãng xe điện có thể hướng đến những mục tiêu cụ thể khi chọn loại pin nào để đưa vào xe của họ, và dùng các công nghệ khác để bù đắp cho các điểm yếu của loại pin đó.

Với phần lớn thế giới thì xe điện vẫn là một loại phương tiện di chuyển còn quá mới mẻ. nhưng “trái tim” của sự di chuyển – viên pin năng lượng lại là một phạm trù còn mới mẻ hơn nhiều. Chúng ta cùng tìm hiểu kỹ hơn về pin ô tô điện và tương lai phát triển của năng lượng này trong tương lai.

Pin sử dụng trên xe điện là pin gì?

Hãy bắt đầu từ những khái niệm cơ bản nhất về pin. Xe điện, tất nhiên, dùng pin Lithium-ion. Nếu ta hỏi: “Xe này dùng pin gì?”, tất nhiên câu trả lời hiện nay sẽ là: “Lithium-ion”. Điện thoại, laptop, máy cạo râu hay thậm chí là máy khoan cầm tay cũng đều sử dụng pin Lithium-ion. Vậy thực sự khái niệm pin lithium-ion (Li-ion) có ám chỉ rằng viên pin trên điện thoại cũng giống như trên xe điện hay không?

Hãy quay về cấu tạo của pin lithium-ion: Li-Ion hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion Li giữa 2 điện cực để sạc, xả điện, và sử dụng một dung dịch điện ly làm môi trường.

Việc các nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu gì cho 2 đầu cực (Niken, Graphite, Silicon,…) cũng như dung dịch điện ly sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng, tuổi thọ, độ an toàn, kích thước pin, khả năng lưu trữ năng lượng, chi phí sản xuất…

Sự kết hợp các thành phần hóa học trong pin tạo ra nhiều loại pin Li-Ion khác nhau:

• Cobalt Oxide (LCO)
• Lithium Manganese Oxide (LMO)
• Lithium Iron Phosphate (LFP)
• Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC)
• Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA)
• Lithium Titanate (LTO)

Hình ảnh phía trên mô tả khả năng của các loại pin này dựa trên các yếu tố:

• Khả năng lưu trữ điện
• Hiệu năng
• Khả năng giải phóng điện năng tức thời
• Giá thành
• Độ an toàn
• Vòng đời (sạc bao nhiêu lần thì chai pin?)

Tất nhiên, các hãng xe có thể hướng đến những mục tiêu cụ thể khi chọn loại pin nào để đưa vào xe của họ, và dùng các công nghệ khác để bù đắp cho các điểm yếu của loại pin đó.

Ví dụ, các hãng xe lớn sẽ đầu tư nhiều tiền cho dòng pin có khả năng đem đến hiệu suất vượt trội, đi kèm theo đó là hệ thống quản lý nhiệt năng để giảm thiểu rủi ro của việc pin tự hao hụt, cũng như quản lý sạc làm sao để kéo dài tuổi thọ cho viên pin.

Pin, cũng như các công nghệ khác được sử dụng trên xe điện, tạo ra nhiều hiện tượng khác nhau mà chúng ta sẽ lập tức nhận ra khi sử dụng xe, mặc dù chúng ta không hiểu mấy về nó.

Một chiếc xe bình thường chạy được 300km bỗng nhiên hôm nay hết pin ở 220km; 2 xe có cùng dung lượng pin lại có 1 chiếc chạy được gấp đôi chiếc kia; có những chiếc xe bị chai pin sau vài trăm lần sạc, trong khi những chiếc khác sạc cả vài ngàn lần vần không sao và còn vô vàn hiện tượng “kỳ lạ” khác.

Một điều hiển nhiên là không có hãng xe nào chia sẻ công nghệ chi tiết về pin mình làm ra, tất cả đều sẽ gói gọn bởi thuật ngữ “Li-ion”. Sẽ mất khá nhiều thời gian để chúng ta hiểu được và cảm nhận được sự khác biệt của những loại pin này, tuy nhiên, điều có thể chắc chắn là luôn có những loại pin có giá 300usd/1kWh, nhưng có những loại trên 1000usd/kWh, và chúng thật sự khác biệt nhau.

Các loại cổng sạc ô tô điện.

Năm 2019, ba nhà khoa học John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino đã nhận giải Nobel Hóa Học vì các thành tựu trong nghiên cứu phát triển pin Li-ion. Điều này đem đến một tương lai đầy hứa hẹn cho không chỉ xe ô tô điện mà còn cho tất cả những thiết bị dùng pin khác trong xã hội hiện đại.

Tất nhiên, việc nghiên cứu pin luôn được tài trợ bởi các hãng xe và các mẫu xe điện mới nhất sẽ là những sản phẩm đầu tiên thừa hưởng các thành tựu mới nhất. Chỉ trong vài năm gần đây, các xe điện thế hệ mới đã nâng khoảng cách di chuyển từ gần 200km lên gấp đôi, và thậm chí là gấp 3.

Có lẽ các kỹ sư sẽ sớm tìm ra phương thức để xe điện có thể chạy xa hơn rất nhiều so với hiện tại trong tương lai gần. Ngay lúc này, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu đến khả năng thay pin trên EV bằng 1 khái niệm khác: Siêu tụ điện (ultra capacitor).

Tương lai của siêu tụ điện (ultra capacitor)

Pin lưu trữ điện dựa trện phản ứng hóa học, và bị mất đi tính chất lưu trữ sau nhiều lần sạc, hay còn gọi là chai pin. Đối với pin Li-ion thì tuổi thọ thường nằm trong khoảng từ vài trăm đến hơn 2.000 lần sạc tùy loại.

Các xe điện hiện đại đều được áp dụng các phương pháp tăng tuổi thọ pin, cụ thể như không để pin rơi vào trạng thái cạn kiệt, quản lý nhiệt độ và dòng điện… các biện pháp này giúp viên pin thông thường có tuổi thọ từ 4 tới 10 năm sử dụng.

Chính vì tuổi thọ pin phụ thuộc vào số lần sạc, nên có lẽ chúng ta không nên mua những chiếc xe điện có quãng đường đi được ngắn, vì ngoài việc mất thời gian sạc thì số lượng lần sạc sẽ nhiều hơn các xe có viên pin đi được dài.

Cũng chính vì số lượng lần sạc và xả quyết định tuổi thọ của pin, nên pin Li-thium dùng trên xe Hybrid – loại xe mà mỗi khi tăng tốc thì động cơ điện làm việc, và khi phanh thì lại nạp vào nạp – hiển nhiên sẽ nhanh hỏng hơn nhiều các xe thuần điện.

Vấn đề này đã dẫn đến một thách thức với các nhà khoa học, đó là phải tạo ra được một viên pin có khả năng nạp/xả liên tục mà không hỏng. Siêu tụ điện (Supercapacitor) là khái niệm lưu trữ năng lượng cực kỳ mới mẻ đang được ứng dụng cho các dòng xe Hybrid.

Nguyên lý cơ bản của tụ điện (capacitor) là lưu trữ điện năng trực tiếp, như việc đổ xăng vào bình. Những điểm yếu hiện nay là khả năng tích trữ không cao như Pin Li-ion, ví dụ 1kWh cần khối lượng pin nặng tầm 10kg, với tụ điện sẽ gấp ít nhất gấp 5 tới 10 lần khối lượng.

Bù lại, năng lượng tức thời mà tụ điện có thể cung cấp lớn gấp 10 lần pin. Chính vì vậy, tụ điện có thể tạo ra công suất tức thời lớn hơn nhiều lần so với pin Li-ion. Ngoài ra, ưu điểm to lớn của tụ điện là khả năng làm việc bền bỉ gấp hàng trăm ngàn lần so với pin Li-ion.

Pin kết hợp Siêu tụ – được hiểu là sự kết hợp giữa pin Li-ion và tụ điện, và giờ đây nó bắt đầu phổ biến trên xe Hybrid. Tính chất của pin siêu tụ đáp ứng rất tốt cho dạng xe này. Mặc dù giá thành siêu tụ so với pin Li-ion lớn hơn nhiều lần, nhưng nhu cầu về dung lượng nhỏ trên xe Hybrid khiến cho việc này trở nên khả thi hơn.

Năm 2019, Elon Musk mua mảng kinh doanh siêu tụ điện và thương hiệu Maxwell Technology, với dự định sử dụng công nghệ điện cực khô cho tế bào pin do Maxwell phát triển, tạo nên các cục pin cho xe Tesla.

Sự phát triển của các công nghệ lưu trữ điện năng phát triển nhanh khủng khiếp, và nếu các hãng xe thực sự muốn một viên pin chạy xa và nhanh hơn, họ sẽ làm được việc đó đơn giản bằng việc chi thật nhiều tiền!

Hai yếu tố ngăn cản hiện nay để nó trở nên phổ biến trên xe điện là giá thành đắt và khối lượng quá lớn. Pin siêu tụ ngày nay đã được trang bị cho các xe đắt tiền như siêu xe V12 Lamborghini Sian, xe đua Formula 1, xe đua Lemans… và thậm chí là cả Mercedes C-Class 2022.

Bosch một hãng công nghệ hàng đầu thế giới vừa cho ra đời thế hệ pin mới dành cho xe Hybrid, chỉ nặng có 7kg, độ bền vô đối, sẵn sàng đáp ứng cho 15 triệu chiếc xe hybrid sử dụng nền tảng điện 48v sẽ xuất xưởng từ nay đến năm 2030.

Motorsport – “phòng thí nghiệm” của pin năng lượng

Motorsport (đua xe thể thao) được mệnh danh là “phòng thí nghiệm lớn” đối với các công nghệ ứng dụng trên xe thương mại. Với Formula 1, công nghệ Hybrid đã từng được ứng dụng đại trà trong việc sản xuất xe thương mại. Còn bây giờ hãy nhìn vào bộ môn đua xe điện Formula E.

Thoạt đầu bộ môn này có vẻ khá giống game máy tính, khi các tay đua chạy chưa đến đích thì hết pin, xong lao vào… đổi 1 cái xe mới chạy tiếp. Nhưng ở thế hệ thứ 2, công nghệ pin đã biến game này thành cuộc đua đường phố thật sự.

2019 là năm đánh dấu sự chuyển đổi to lớn này, thế hệ Pin dành cho xe Fomula E có dung lượng 54kWh và khối lượng 385kg, cung cấp đủ năng lượng để những chiếc xe có thể chạy trọn vẹn một cuộc đua. Sự thay đổi về khả năng lưu trữ điện của pin không phải là yếu tố duy nhất để những chiếc xe trở nên mạnh hơn, nhưng nó là nền tảng để nâng cao sức mạnh, tốc độ và hiệu suất của những chiếc xe đua Formula E.

Ngày nay, pin xe điện dân dụng có tỷ lệ khối lượng ở khoảng 9 -10kg cho 1kWh, nhưng từ năm 2019, tỷ lệ này ở pin xe đua Formula E đã là 7kg/kWh. Sự chênh lệch tỷ lệ này phần nào phản ánh chất lượng, khả năng và giá thành của những loại pin lắp trên xe điện, bởi lẽ chìa khóa của việc xe điện trở nên hiệu quả hơn nằm ở chính trọng lượng của nó. Một số các xe “xịn” hơn đang được trang bị các viên pin đạt tỷ lệ 6 -7kg/ kWh.

Năm 2022, thế hệ thứ 3 của Formula E đã ứng dụng loại pin mới, chỉ nặng 285kg với dung lượng 51kWh. Con số tỉ lệ bây giờ đã là 5,6kg/kWh. Bộ pin này được hãng Williams Advanced Engineering cung cấp cho tất cả các đội đua.

Ban tổ chức giải đua yêu cầu các đội đua chỉ dùng một loại pin duy nhất để đảm bảo tính công bằng, tránh việc các hãng xe lớn giàu có hơn nắm lấy ưu thế về phát triển pin riêng. Bộ pin này giúp cho thế hệ xe Formula E mới có tốc độ cao hơn và công suất mạnh hơn rất nhiều, và tất nhiên, vẫn đảm bảo đi đến cuối cuộc đua.

Ngoài ra từ nay các đội đua có thể sử dụng bộ sạc siêu nhanh công suất 600kW trong thời gian 30s, dự kiến sẽ nạp được 4kWh vào khối pin. Với hệ thống sạc này, việc sạc 80% dung lượng pin sẽ diễn ra trong vòng chưa đầy 5 phút.

Theo thông tin từ William thì, khối pin mới này “là tổ hợp của các khối pin dung lượng lớn, và các khối pin cung cấp công suất tức thời lớn”. Như vậy thì đây có phải là Siêu tụ – hay 1 loại pin khác? Nếu nhìn lại các xe đua Formula 1, thì khối pin dành cho hệ thống hybrid trên xe đua F1 cũng có nguyên lý kết hợp tương tự.

Tế bào pin – tương lai của chuyển động

Porsche Taycan là một chiếc xe điện cực kỳ thú vị, đơn giản bởi vì ở đó hội tụ rất nhiều công nghệ tiên tiến và hãng xe thì lại khá “cởi mở” đối với các thông tin thuộc phạm trù kỹ thuật. Tuy nhiên, việc tìm hiểu về mẫu xe này tốn khá nhiều thời gian và không phải ai cũng thích đắm chìm trong mớ lý thuyết tài liệu kỹ thuật.

Theo Yahoo Finance, năm 2021, Elon Musk phát biểu:

“Việc kết hợp silicon vào cực dương của pin Li-ion có khả năng cải thiện mật độ năng lượng lên 20-40%, mở rộng phạm vi hoạt động tối đa của phương tiện lên 20%. Tuy nhiên, việc chế tạo ra laoij pin này lại không hề dễ dàng”.

Trước đó, năm 2019, Porsche Taycan đã ra mắt thị trường với khối pin nặng 630kg, dung lượng 93kWh, đạt tỉ lệ trọng lượng/ dung lượng của pin là 6,8kg /kWh. Pin của Taycan chính là dạng Lithium Silicon Anode.

Cùng thời gian này, Formula E cũng ra mắt xe thế hệ thứ 2, sử dụng pin Lithium Silicon Anode có dung lượng 54kW, trọng lượng 385kg. Về tỷ lệ trọng lượng/dung lượng, xe Formula E đang tương đương Taycan (7kg/1kW).

Năm 2022, Elon Musk tuyên bố chỉ vài năm nữa các viên pin sẽ có tỷ lệ 2-2,5kg/kWh. Trong khi đó, ông chủ đội đua của Porsche, Thomas Laudenbach, bày tỏ mong muốn Formula E cho phép các đội đua tự phát triển pin của riêng mình, tuy nhiên điều này bị từ chối, nhằm duy trì sự công bằng trong đua xe.

Mặc dầu vậy, Porsche vẫn sản xuất tế bào pin hiệu năng cao (High performance Battery) với đối tác BASF- một công ty tại Đức có bộ máy R&D hết sức mạnh trong việc phát triển vật liệu dành cho pin – thông qua Cellforce Group. Dự án này sẽ cho ra mắt một loại pin riêng dành cho xe thể thao của Porsche vào năm 2024.

Michael Sterner, thành viên Ban Điều hành, Nghiên cứu và Phát triển của Porsche đã nói về quyết định này:

“Ngày nay, các hãng xe điện không thể mua lại hay sử dụng bản quyền sản xuất công nghệ lõi từ những chiếc xe điện thể thao hiệu suất cao. Do đó, chúng tôi buộc phải tự phát triển nó. Chúng tôi tự phát triển và xây dựng công nghệ quan trọng của tương lai: tế bào pin. Điều thuận lợi là chúng tôi đã có lần đầu tiên thử nghiệm công nghệ cao mới này trong môi trường cạnh tranh nhất – đua xe thể thao. Từ đó, chiếc xe thể thao chạy điện của chúng tôi – Porsche Taycan – đã được thừa hưởng những phát triển quan trọng và các tính năng kỹ thuật hàng đầu từ đường đua, cụ thể là từ chính chiếc Porsche 919 Hybrid đã giành giải Le Mans ”.

Porsche luôn cho rằng: “Battery cells are the combustion chamber of the future” (tế bào pin chính là buồng đốt của tương lai).

Theo Vinh Nguyễn, Whatcar.

Đăng bởi: Sơn Trần