DR EUAN MCTURK, CÔNG TY TNHH TƯ VẤN CUỘC SỐNG CẮM
Xe điện đã chứng kiến sự phát triển tinh tế nhưng đáng kể về pin trong những năm 2010. Ví dụ: dung lượng pin của BMW i3 đã tăng gấp đôi từ năm 2013 đến năm 2019, sử dụng cùng kích thước vật lý của các ô. Tuy nhiên, không có gì đặc biệt thú vị xảy ra liên quan đến tính chất hóa học của những viên pin đó. Chúng hầu như luôn là NMC – oxit coban mangan lithium niken – với hàm lượng coban giảm dần và mật độ năng lượng được cải thiện (nói cách khác, phạm vi hoạt động mà bạn có thể đóng gói vào một trọng lượng hoặc kích thước nhất định của pin).
Giờ đây, chúng ta bắt đầu thấy một số phát triển pin thực sự thú vị sắp diễn ra, tất cả đều có ý nghĩa quan trọng đối với xe điện và sẽ dẫn đến sự đa dạng hóa các chất hóa học được cung cấp trong các kiểu dáng và kiểu dáng xe điện khác nhau. Ở đây, chúng ta sẽ xem xét ba loại hóa chất pin yêu thích hàng đầu của cá nhân tôi sắp có mặt trên xe điện - và bất chấp sự cường điệu hóa, bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng không có loại hóa chất nào trong số đó là ở trạng thái rắn.
Ắc quy xe điện ngày nay
Trước tiên, chúng ta hãy xem ngày nay pin EV có những gì. Pin lithium-ion bao gồm một điện cực âm (cực dương) thường được làm bằng than chì - trong đó các ion lithium được xen kẽ một cách an toàn (lỗ bồ câu) - và một điện cực dương (cực âm) được làm từ một số dạng oxit kim loại lithium, thường là NMC hoặc NCA tương tự (oxit nhôm coban lithium niken). Chúng được phủ tương ứng trên các lá “bộ thu dòng” bằng đồng và nhôm. Cực dương và cực âm được ngăn cách bằng một thiết bị phân tách polymer, được làm ướt trong chất điện phân hữu cơ chứa muối lithium, cho phép các ion lithium di chuyển giữa hai điện cực, nhưng không phải các electron - nếu không bạn sẽ bị đoản mạch bên trong và tế bào sẽ phóng điện bản thân nó rất nhanh chóng. Than chì thì cồng kềnh, còn coban thì đắt tiền. Tất cả những điều này là những điểm quan trọng cần cải thiện.
LITHIUM SẮT PHOSPHATE VÀ LMFP
Chất đầu tiên trong số ba chất hóa học pin hàng đầu của tôi đã được cung cấp trong một số xe điện bán chạy nhất hiện nay, bao gồm cả xe điện Tesla Model 3 và Y, MG4 và BYD của Standard Range. Lithium sắt photphat (LFP) thay thế NMC ở cực âm. Nó không chứa coban hoặc niken, do đó rẻ hơn và đạo đức hơn, và trên hết, nó có vòng đời dài hơn (có thể được sạc và xả nhiều lần hơn trước khi công suất của nó giảm đến mức không còn phù hợp với nhu cầu của bạn) và không bắt lửa nếu bị hư hỏng nặng. Pin Blade LFP của BYD thậm chí không bị nóng nếu được khoan thẳng khi đã sạc đầy!
Tuy nhiên, bài viết này nhằm mục đích nói về các ngành hóa học sắp ra mắt. Sẽ là gian lận nếu chỉ chỉ ra rằng những gã khổng lồ ô tô lâu đời như Ford, Mercedes và Volkswagen đều có kế hoạch cung cấp LFP trên một số xe điện của họ trong tương lai gần. Tuy nhiên, LFP có một nhược điểm nhỏ: nó không đậm đặc năng lượng như NMC, vì vậy xe điện được trang bị pin LFP không thể đi xa chỉ sau một lần sạc. Điều này là do điện áp của tế bào LFP nhỏ hơn NMC và vì năng lượng chứa trong tế bào bằng điện áp của tế bào nhân với công suất của nó tính bằng ampe giờ, nên phạm vi mỗi lần sạc sẽ bị ảnh hưởng.
Vấn đề về phạm vi của LFP sắp được giải quyết bằng LMFP, nhờ đó mangan (hoặc kim loại khác) được thêm vào cùng với sắt và phốt pho ở cực âm. Điều này làm tăng điện áp của tế bào mà không tốn nhiều chi phí và đưa mật độ năng lượng của chất hóa học không chứa coban, rẻ hơn, an toàn hơn và hợp đạo đức hơn này gần bằng với NMC. Tesla được đồn đại là sẽ giới thiệu LMFP trong Model 3 được làm mới, điều này sẽ mang lại cho mẫu Standard Range phạm vi hoạt động vượt quá 300 dặm sau mỗi lần sạc, nhưng điều này vẫn chưa xảy ra. Tuy nhiên, hãy chú ý đến không gian này: ngoài những tin đồn về Tesla, Gotion, một nhà sản xuất pin được Volkswagen hậu thuẫn, có kế hoạch bắt đầu sản xuất pin LMFP của mình trong năm nay.
ANODES SILICON
Như đã đề cập trước đây, than chì rất cồng kềnh: để lưu trữ an toàn chỉ một nguyên tử lithium ở cực dương, cần có sáu nguyên tử carbon. Lý tưởng nhất là chúng ta muốn giảm thiểu lượng vật liệu lưu trữ vật liệu thực sự lưu trữ năng lượng và một cách để làm điều đó là sử dụng cực dương silicon. Một nguyên tử silicon có thể chứa bốn nguyên tử lithium và cho phép chúng di chuyển vào và ra khỏi cực dương nhanh hơn nhiều so với than chì, điều này mang lại lợi ích cho cả hai bên là mật độ năng lượng được cải thiện và sạc nhanh hơn.
Tuy nhiên, silicon có một vấn đề: nó giãn nở rất nhiều trong quá trình sạc – lên tới 300% kích thước ban đầu. Khi cực dương silicon phồng lên và co lại trong quá trình đạp xe, nó sẽ tự vỡ ra một cách cơ học, dẫn đến tuổi thọ của tế bào bị ngắn. Tin tốt là một số công ty khởi nghiệp đã khắc phục được vấn đề này. Một ví dụ là Amprius, công ty phát triển các dây nano silicon trên bộ thu dòng điện để kết nối cực dương với thế giới bên ngoài (và chiếc xe điện đang cung cấp năng lượng cho pin). Rừng cây silicon này có thể mở rộng và thu nhỏ mà không làm đứt gãy nhau, giúp tuổi thọ được cải thiện nhiều. Cách tiếp cận của Amprius mang lại mật độ năng lượng theo trọng lượng và thể tích gấp đôi so với các loại pin NMC hàng đầu hiện nay - nói cách khác, phạm vi hoạt động cho mỗi lần sạc của xe điện ngày nay có thể tăng gấp đôi bằng cách sử dụng cực dương silicon này hoặc có thể giữ nguyên nhưng với trọng lượng bằng một nửa và cần không gian, lý tưởng cho những chiếc xe nhỏ hơn, nhẹ hơn, hiệu quả hơn.
Một số nhà sản xuất xe điện đang nghiên cứu cực dương silicon cho các mẫu xe sắp ra mắt. Mercedes tuyên bố rằng EQG chạy hoàn toàn bằng điện của họ sẽ cung cấp bộ pin cực dương silicon khi ra mắt trong năm nay, sử dụng vật liệu cực dương của Sila và không chỉ giảm đáng kể thời gian sạc mà còn cả lượng khí thải carbon của pin. Trong khi đó, Polestar đang hợp tác với StoreDot để thử nghiệm pin sạc cực nhanh, chiếm ưu thế bằng silicon trong nguyên mẫu Polestar 5.
Natri-ion
Mặc dù người ta tập trung nhiều vào cách tạo ra loại pin mang lại phạm vi hoạt động tốt nhất cho xe điện, nhưng một số phát triển thú vị nhất sẽ mang lại phạm vi hoạt động ngắn hơn một chút so với hiện nay, nhưng lại có lợi thế rất lớn ở các lĩnh vực khác. Natri-ion là một ví dụ điển hình cho điều này: nó loại bỏ coban, niken, đồng và lithium, thay thế chúng bằng các vật liệu rẻ hơn và phong phú hơn nhiều với chuỗi cung ứng được thiết lập tốt. Rốt cuộc, natri được tìm thấy trong muối biển.
Pin natri-ion không gây nguy cơ cháy nếu bị hư hỏng nghiêm trọng; hoạt động tốt hơn lithium-ion ở nhiệt độ đóng băng; không yêu cầu quản lý nhiệt (làm mát/sưởi pin) nhiều như pin lithium-ion; và vận chuyển dễ dàng và an toàn hơn nhiều. Vì vậy, chúng không chỉ rẻ hơn khi sản xuất và quản lý mà còn rẻ hơn khi vận chuyển, giúp tiết kiệm chi phí gấp đôi cho người tiêu dùng. Nhược điểm của chúng là mật độ năng lượng thấp hơn LFP, do đó, phạm vi mỗi lần sạc của xe điện được trang bị thế hệ tế bào ion natri đầu tiên sẽ phù hợp nhất với người lái xe trong đô thị, nhưng đó vẫn là một phần hợp lệ của thị trường và một phần cần xe giá phải chăng. Trên lưu ý đó, hai chiếc ô tô thành phố được trang bị natri-ion đầu tiên đã được bán ở Trung Quốc, cả hai đều có mức giá dưới 8.500 bảng Anh. Với các nhà sản xuất Trung Quốc, Châu Âu và Hoa Kỳ đang nghiên cứu pin natri-ion như chúng tôi đang nói – bao gồm cả BYD đang xây dựng một nhà máy gigafactory mới chuyên sản xuất pin natri-ion – sẽ không quá lâu trước khi chúng ta thấy những chiếc xe điện EV natri-ion đầu tiên được cung cấp cho bán ở Anh.
VỀ TRẠNG THÁI RẮN LÀ GÌ?
Thuật ngữ “trạng thái rắn” bao gồm một loạt các chất điện giải và hóa chất khác nhau, thay vì chỉ là một loại tế bào duy nhất. “Trạng thái rắn” đề cập đến việc thay thế chất điện phân lỏng và thiết bị tách polymer bằng chất điện phân rắn thực hiện cả hai công việc, lý tưởng nhất là mang lại thời gian sạc và xả nhanh hơn cũng như cải thiện độ an toàn. Điều này có nghĩa là, ví dụ, chất điện phân ở trạng thái rắn có thể được sử dụng với cực dương silicon và cực âm LMFP. Chất điện phân có thể an toàn đến mức không cần đến cực dương silicon nữa, cho phép sử dụng cực dương lithium nguyên chất thay thế và giảm hơn nữa độ cồng kềnh – đồng thời tăng mật độ năng lượng – của bộ pin. Điều này có nghĩa là một số nhà máy hóa chất rẻ nhất và hợp đạo đức nhất của chúng ta hiện nay có thể được chế tạo nhỏ gọn đến mức chúng vượt quá mật độ năng lượng của các nhà máy hóa chất NMC đắt tiền hơn dẫn đầu thị trường hiện nay, trong khi các chất điện phân thể rắn được sử dụng kết hợp với cực âm NMC có thể mang lại hiệu suất điện cực kỳ ấn tượng. các loại xe, bao gồm cả “ô tô thành phố” có khả năng thực hiện các chuyến hành trình xuyên quốc gia một cách dễ dàng.
Ngoài ra, một số công ty khởi nghiệp hiện đang chuyển sự chú ý sang cách tạo ra chất điện phân thể rắn cho tế bào ion natri. Điều này sẽ tiếp tục giảm chi phí pin bằng cách cho phép sử dụng nhiều natri hơn và hợp lý hơn thay vì lithium, trong các loại pin có phạm vi hoạt động tương đương với mỗi lần sạc của xe điện ngày nay. Mặc dù ngày nay các phiên bản đầu tiên của pin thể rắn đã được sử dụng trong các ứng dụng thích hợp nhưng sẽ phải mất vài năm nữa chúng ta mới thấy chúng được cung cấp trên ô tô điện và xe tải được sản xuất hàng loạt.
Tuy nhiên, có một điều chắc chắn: các nhà sản xuất pin xe điện đang đa dạng hóa và sẽ tiếp tục đa dạng hóa, mang lại nhiều lợi thế về chi phí, phạm vi hoạt động và đạo đức. Đây là tin tuyệt vời cho xe điện và người mua.
Mời đối tác xem hoạt động của Pacific co.ltd:
Fanpage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLtd
