Linh kiện mới giúp giảm chi phí, hạn chế chuỗi cung ứng cho pin EV sạc nhanh
Tác giả: Heather Duncan, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại bộ thu dòng điện mới nhẹ hơn, giá cả phải chăng hơn, có thể dẫn điện từ pin xe điện đến xe và cho phép vừa lái xe được quãng đường dài vừa sạc cực nhanh. Nguồn: Andy Sproles/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Việc tăng cường khả năng cạnh tranh của ngành vận tải Hoa Kỳ phụ thuộc vào việc phát triển pin xe điện sản xuất trong nước cho phép sạc nhanh và hiệu suất tầm xa. Tuy nhiên, mật độ năng lượng cần thiết để kéo dài quãng đường lái xe có thể phải đánh đổi bằng tốc độ sạc và tuổi thọ pin.
Bằng cách tích hợp một loại bộ thu dòng điện mới, là một thành phần pin quan trọng, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng đã chứng minh cách sản xuất pin có cả mật độ năng lượng vượt trội và khả năng xử lý sạc cực nhanh lâu dài. Điều này cho phép khôi phục ít nhất 80% năng lượng pin trong 10 phút. Bằng cách sử dụng ít kim loại hơn, đặc biệt là đồng có nhu cầu cao, công nghệ này cũng giúp giảm bớt căng thẳng cho chuỗi cung ứng của Hoa Kỳ.
"Điều này giúp tiết kiệm đáng kể các vật liệu gần tới hạn, vì cần ít đồng và nhôm hơn nhiều", nhà nghiên cứu chính Georgios Polyzos cho biết. "Đồng thời, điều này sẽ tăng đáng kể mật độ năng lượng có thể đạt được với một lần sạc trong 10 phút".
Một bộ thu dòng điện dẫn điện từ vật liệu hoạt động bên trong pin đến mạch điện bên ngoài. Bộ thu dòng điện thường được làm bằng lá kim loại, với một lá ở mỗi cực của điện cực: đồng cho cực dương và nhôm cho cực âm. Các kim loại làm tăng trọng lượng cho pin, làm tăng tổng trọng lượng của ô tô và lượng năng lượng cần thiết để di chuyển ô tô.
Bộ thu dòng điện mới, do đối tác trong ngành Soteria Battery Innovation Group sản xuất, là một loại polyme kẹp giữa các lớp đồng hoặc nhôm rất mỏng. Các nhà nghiên cứu của ORNL phát hiện ra rằng thành phần mới này có thể giảm 85% chi phí bộ thu dòng điện, tích trữ thêm 27% năng lượng cho những chuyến đi dài hơn và duy trì mật độ năng lượng đáng kể sau một nghìn chu kỳ, ngay cả trong điều kiện sạc cực nhanh có thể làm hỏng vật liệu pin nhanh hơn theo thời gian. Bộ thu dòng điện mới hoạt động tốt như bộ thu dòng điện thông thường với trọng lượng chỉ bằng khoảng một phần tư, cho phép xe điện di chuyển xa hơn với cùng một lần sạc.
Để đảm bảo công nghệ có thể được mở rộng để thương mại hóa, các nhà nghiên cứu của ORNL đã chế tạo pin dạng đồng xu và dạng túi bằng các quy trình tiêu chuẩn của ngành tại Cơ sở sản xuất pin mở của ORNL.
Polyzos cho biết nhóm đã xác định chính xác các thông số để kết hợp thành công vật liệu mỏng hơn vào quy trình sản xuất dạng cuộn, mặc dù nó dễ bị nhăn hơn. Các bộ thu dòng điện thử nghiệm khác thường yêu cầu các quy trình sản xuất phức tạp và tốn kém, không tương thích với các phương pháp cuộn tiêu chuẩn.
Kết quả nghiên cứu của ORNL, được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Materials, nêu bật tiềm năng của bộ thu dòng điện kim loại-polymer trong việc "cách mạng hóa quy trình sản xuất pin dạng cuộn và cải thiện đáng kể các chỉ số hiệu suất của pin lithium-ion trong các ứng dụng xe điện".
Brian Morin, Tổng giám đốc điều hành của Soteria có trụ sở tại Nam Carolina, cho biết ORNL đã giúp công ty hiểu cách sạc pin nhanh bằng công nghệ này, bất chấp sức cản vật lý tăng lên từ màng nhựa.
"Chúng tôi loại bỏ 80% kim loại, khiến việc thực hiện mọi việc nhanh chóng trở nên khó khăn hơn", Morin cho biết. "Nhưng họ đã chứng minh rằng bạn vẫn có thể sạc và xả nhanh. Thử nghiệm của Soteria đã chỉ ra rằng polyme cũng giúp pin an toàn hơn. Nếu có hiện tượng đoản mạch bên trong tạo ra luồng năng lượng ngắn, nó sẽ ăn mòn màng nhựa, kéo kim loại đi. Bộ thu dòng điện của chúng tôi hoạt động như một cầu dao bên trong pin và loại bỏ khoảng 90% các vụ cháy pin lithium-ion do đoản mạch".
Thông tin thêm: Yue Feng và cộng sự, Bộ thu dòng điện polyme kim loại hóa cho pin lithium-ion năng lượng cao với khả năng sạc cực nhanh, Vật liệu năng lượng và môi trường (2025).DOI: 10.1002/eem2.12878
