Về cơ bản, pin xe điện cũng là thiết bị lưu trữ năng lượng với cơ chế hoạt động giống như pin AA hoặc AAA đang được sử dụng trong nhiều thiết bị gia dụng quen thuộc, chúng đều dựa trên những nguyên tắc chung. Dù vậy, thực tế là khối pin nằm bên trong chiếc xe hybrid hoặc xe thuần điện có độ phức tạp cao hơn so với những tế bào pin mà bạn sử dụng trong điều khiển từ xa của TV.
Sự ra đời của những mẫu xe có trang bị yếu tố điện hóa như xe hybrid HEV, xe hybrid sạc điện PHEV và xe thuần điện BEV đã mang đến cho thị trường ô tô thêm sự lựa chọn bên cạnh các dòng xe dùng động cơ đốt trong truyền thống. Cùng với đó, bộ phận cung cấp năng lượng cho các loại xe này là những khối pin cũng được quan tâm nhiều hơn.
Ở khía cạnh cốt lõi nhất, pin nằm trong xe HEV, PHEV hoặc BEV có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, mỗi loại có đặc tính hiệu suất khác nhau. Các tế bào (cell) riêng lẻ được lưu trữ trong các bộ pin lớn này cũng có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau.
Pin xe điện hoạt động như thế nào?
Mỗi tế bào trong bộ pin của xe điện đều có 2 điện cực là cathode và anode, tùy thời điểm mà một cực sẽ là cực dương và cực còn lại là cực âm. Chúng được ngăn cách bằng loại vật liệu giống như nhựa. Khi các cực dương và cực âm được kết nối, các ion sẽ di chuyển giữa hai điện cực thông qua chất điện phân lỏng bên trong tế bào. Trong khi đó, các electron mà các điện cực này phát ra sẽ đi qua dây dẫn bên ngoài tế bào.
Các điện cực được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp, cho phép các ion xâm nhập, không làm phá vỡ cấu trúc của tinh thể và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này trong quá trình hoạt động. Phản ứng hoá học xảy ra, cung cấp năng lượng cho thiết bị cần điện trong quá trình xả của pin. Khi pin được sạc lại năng lượng bằng nguồn phát điện từ bên ngoài, đó gọi là quá trình sạc của pin.
Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng. Khi pin xả, cathode là cực dương còn anode là cực âm. Khi pin được sạc, 2 điện cực đảo chiều, cathode trở thành cực âm còn anode là cực dương.
Trong quá trình xả, pin cung cấp năng lượng (hay còn gọi là phóng điện) tới thiết bị cần điện, khi đó các ion sẽ chảy qua dải phân cách từ cực âm anode đến cực dương cathode, đồng thời các electron cũng di chuyển qua dây từ cực âm đến cực dương để cung cấp năng lượng cho thiết bị cần được tải ở phía bên ngoài. Theo thời gian, năng lượng của tế bào cạn kiệt dần, dẫn đến “hết pin”.
Trong quá trình sạc, tế bào pin được tích điện, các electron bị buộc phải di chuyển từ nguồn năng lượng bên ngoài theo hướng từ cực dương đến cực âm. Quá trình trong pin đảo ngược: các ion tách khỏi cathode (nay đã đóng vai trò cực âm) để quay về anode (nay là cực dương), làm tăng năng lượng của cell pin trở lại.
Phương pháp sản xuất pin xe điện
Mỗi khi đề cập đến những viên pin dân dụng loại AA hoặc AAA nói trên, hầu hết mọi người sẽ ngay lập tức nghĩ đến hình ảnh của một cục pin duy nhất. Nhưng pin trong xe điện không phải là phiên bản khổng lồ của loại pin đơn lẻ đó. Thay vào đó, chúng được tạo thành từ hàng trăm, thậm chí hàng nghìn cell riêng lẻ, thường được nhóm lại thành các mô-đun. Có thể có tới vài chục mô-đun nằm trong một khối thống nhất, đó mới là pin xe điện ở trạng thái hoàn chỉnh.
Tế bào pin xe điện có thể là các hình trụ nhỏ, giống như tế bào pin AA hoặc AAA, có nhiều kích thước tiêu chuẩn hóa khác nhau. Đây là cách tiếp cận mà Tesla, Rivian, Lucid và một số nhà sản xuất ô tô khác thực hiện, nối hàng nghìn tế bào nhỏ này lại với nhau. Lợi thế mà các công ty này khẳng định là các tế bào nhỏ sẽ rẻ hơn rất nhiều nếu sản xuất với số lượng lớn. Tuy nhiên, Tesla có kế hoạch chuyển sang sử dụng số lượng ô hình trụ lớn hơn để giảm số lượng kết nối trong bộ pin xe điện của họ.
Nhưng tế bào pin xe điện có hai dạng khác: hình lăng trụ cứng hoặc được bọc bằng lớp vỏ nhôm mềm cho phép giãn nở phần nào trong thành tế bào dưới nhiệt độ cực cao. Kích thước không được tiêu chuẩn hóa, hầu hết các nhà sản xuất ô tô như General Motors và Ford đều nghiên cứu thông số kỹ thuật của riêng họ khi đặt hàng cell pin từ các nhà cung ứng, chẳng hạn như CATL của Trung Quốc, Panasonic của Nhật Bản hoặc LG Chem của Hàn Quốc.
Các loại pin xe điện
Thành phần hóa học của pin xe điện có những sự khác biệt nhất định, chủ yếu được quyết định bởi loại vật liệu được sử dụng ở cathode của nó. Ngày nay, về cơ bản có hai loại cấu trúc hóa chất pin, cả hai đều có chung tên gọi lithium-ion, nghĩa là cathode của chúng sử dụng lithium và được kết hợp cùng với các kim loại khác.
Loại đầu tiên, phổ biến nhất ở Bắc Mỹ và Châu Âu, sử dụng hỗn hợp niken, mangan và coban (NMC) hoặc niken, mangan, coban và nhôm (NMCA). Trong thế giới pin xe điện, những loại pin này được xếp vào hàng ngũ có tỷ lệ mật độ năng lượng cao (năng lượng trên khối lượng hoặc năng lượng trên thể tích) nhưng cũng có xu hướng oxy hóa (bắt lửa) cao hơn khi bị đoản mạch hoặc va chạm nghiêm trọng. Các nhà sản xuất pin và kỹ sư nghiên cứu pin dành nhiều thời gian để theo dõi các tế bào và mô-đun, cả trong quá trình sản xuất và sử dụng trong suốt vòng đời của ô tô, để hạn chế nguy cơ oxy hóa.
Loại thứ hai, được sử dụng rộng rãi hơn ở Trung Quốc, được gọi là lithium-sắt-phosphate, hay LFP. Mặc dù tên gọi này không hoàn toàn chính xác vì trên thực tế Fe là ký hiệu của sắt trong bảng tuần hoàn, trong khi F dùng cho chất flo, nhưng hầu như không ai quan tâm. Các tế bào sắt-phosphate có mật độ năng lượng thấp hơn đáng kể, do đó cần phải làm ra những khối pin có kích thước lớn hơn để cung cấp cùng một lượng năng lượng như pin dựa trên NMC.
Tuy nhiên, bù lại cho điều đó là các tế bào LFP ít có khả năng bị oxy hóa hơn nếu bị chập mạch. Tế bào LFP cũng không sử dụng kim loại quý hiếm và đắt tiền. Cả sắt và phosphate đều được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp ngày nay và cả hai đều không được coi là hiếm hoặc có nguồn tài nguyên hạn chế. Vì những lý do đó, tế bào LFP rẻ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng kWh.
Chi phí thấp hơn đã khiến Tesla (và gần đây nhất là Ford) bắt đầu sử dụng pin LFP trong các mẫu xe điện phiên bản cấp thấp, nhằm để dành các loại pin dùng hóa chất đắt tiền hơn và có mật độ năng lượng cao hơn cho các mẫu xe đắt tiền hơn trong dòng sản phẩm của họ.
Còn đối với điện cực tế bào còn lại là anode, ngày nay hầu hết chúng đều được làm bằng graphite (than chì).
Phần mềm pin xe điện
Không giống như những viên pin một cell bạn có thể dễ dàng mua ở cửa hàng tạp hóa gần nhà, pin xe điện yêu cầu rất nhiều phần mềm để theo dõi mọi thứ. Một tế bào pin AA hoặc AAA sẽ tồn tại lâu nhất là vài năm. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ô tô lại bảo hành các bộ phận pin của xe điện thường trong khoảng một thập kỷ hoặc tối đa 250.000 km sử dụng.
Tất cả pin xe điện đều mất đi dung lượng sạc theo thời gian. Nhìn chung, cứ sau khoảng 160.000 km là các loại pin xe điện phổ biến hiện nay sẽ bị hao hụt từ 10 đến 20% so với dung lượng ban đầu của chúng. Nói cách khác, nếu như một chiếc xe điện có khả năng cung cấp quãng đường di chuyển lên tới 480 km lúc mới xuất xưởng, thì sau thời gian sử dụng 160.000 km nó sẽ chỉ có thể đạt được phạm vi hoạt động trong khoảng trên dưới 390 km là hết cỡ, dù cho hệ thống có báo pin đã sạc đầy 100%.
Để đảm bảo điều đó xảy ra, các mô-đun pin và bản thân bộ pin có một loạt cảm biến để giám sát năng lượng được cung cấp bởi từng bộ phận – lý tưởng nhất là giống hệt nhau trên tất cả các tế bào và mô-đun – cũng như nhiệt độ của bộ pin. Một bộ phần mềm được gọi là hệ thống quản lý pin (BMS) sẽ theo dõi thông tin này.
Pin dễ bị thay đổi nhiệt độ và hoạt động tốt nhất ở khoảng 21 độ C. Nếu bộ pin của xe điện có dấu hiệu quá nóng, BMS của hầu hết các loại pin HEV, PHEV và BEV hiện đại sẽ luân chuyển chất làm mát qua bộ pin để tản nhiệt và cố gắng đưa nhiệt độ thực tế đến gần hơn với điều kiện vận hành lý tưởng.
Pin cung cấp ít năng lượng hơn trong thời tiết cực lạnh. Tại những vùng này, chủ sở hữu xe điện được khuyến khích nên sử dụng tính năng “làm nóng” pin. Theo đó, phần mềm điều khiển và BMS của xe có thể sử dụng năng lượng từ lưới điện (nếu được cắm điện từ trước) hoặc có thể là một phần năng lượng của chính pin để làm tăng nhiệt độ bộ pin lên tới mức lý tưởng. Điều này cho phép pin xe điện có được trạng thái sẵn sàng vận hành với mức năng lượng cụ thể ngay khi người lái khởi động xe, không cần phải chờ đợi.
Tương lai của công nghệ pin xe điện
Công nghệ pin luôn phát triển. Mặc dù xe điện ngày nay chủ yếu sử dụng gói lithium-ion nhưng nhiều ô tô chạy bằng pin trong tương lai có thể sẽ sử dụng gói có các thành phần hóa học khác nhau. Ví dụ, pin thể rắn sử dụng tế bào có chất điện phân rắn là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn mà nhiều nhà sản xuất đang đầu tư vào. Trên thực tế, Toyota có kế hoạch giới thiệu một loại xe sử dụng pin thể rắn vào giữa thập kỷ này.
Pin thể rắn có mật độ năng lượng cao hơn nên có khả năng cung cấp quãng đường di chuyển tối đa tốt hơn so với các loại pin lithium-ion có dung lượng tương đương. Tuy nhiên, công nghệ đột phá này vẫn còn cần phải vượt qua nhiều trở ngại phía trước, trong đó có vấn đề cắt giảm chi phí vật liệu để sản xuất pin thể rắn ở quy mô hàng loạt. Tương tự như vậy, tuổi thọ của các tế bào này sẽ cần phải cải thiện đáng kể để đáp ứng chu kỳ xả-sạc lên đến hàng nghìn lần của từng chiếc xe HEV, PHEV hoặc BEV trong suốt vòng đời.
Dù sao đi nữa, tương lai của các loại xe vận hành bằng pin vẫn đầy hứa hẹn. Các công nghệ mới vẫn đang liên tục được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và phạm vi hoạt động của ô tô điện, đồng thời thúc đẩy giá thành của bộ pin lithium-ion giảm đáng kể trong những năm tới.
Tổng hợp
Le Hai.