Nhiều loại pin mới sẽ cung cấp năng lượng cho xe điện

Pin lithium-ion (Li-ion) cung cấp năng lượng cho hầu hết  các xe điện là thành phần đắt nhất của chúng, thường chiếm khoảng 40% giá xe khi còn mới. Các vật liệu mà những loại pin này được tạo ra sẽ xác định hiệu suất của nó, do đó chúng giúp xác định quãng đường mà một chiếc  xe điện  có thể di chuyển trong một lần sạc, tốc độ của nó và thời lượng pin của nó. Đổi lại, thành phần quan trọng nhất trong những viên pin đó là cực âm của nó, chiếm khoảng một nửa giá trị của chúng. Nhà máy Nysa sản xuất vật liệu cực âm, coi vật liệu này là trung tâm của cuộc cách mạng pin.

Khi doanh số bán  xe điện chậm ở một số thị trường, các nhà sản xuất ô tô đang hy vọng sẽ tăng doanh số bán hàng với cả pin rẻ hơn và pin mạnh hơn. Tuy nhiên, những vật liệu rẻ hơn có thể làm giảm hiệu suất, vì vậy những vật liệu này có thể sẽ được sử dụng cho những chiếc xe chạy trong thành phố có quãng đường ngắn hơn. Các phiên bản hiệu suất cao đắt tiền hơn nhắm đến những chiếc xe sang trọng và thể thao. Và đâu đó ở giữa là phiên bản của cả hai. Tất cả điều này có nghĩa là  mọi người sẽ sử dụng nhiều loại pin khác nhau và mỗi phiên bản sẽ cần một hỗn hợp vật liệu hoạt động âm cực ( cam) khác nhau.

Nysa cho thấy ngành công nghiệp đang chuẩn bị như thế nào cho tương lai nhiều loại pin này. Mathias Miedreich, ông chủ của Umicore, một tập đoàn vật liệu có trụ sở tại Brussels, sở hữu hoạt động của Nysa, cho biết: “Chúng tôi không ủng hộ một con ngựa nào cả”. Chiến lược này được phản ánh trong thiết kế của nhà máy. Hầu hết các nhà máy đều được cấu hình theo cách tuyến tính, với nguyên liệu thô di chuyển dọc theo dây chuyền sản xuất khi các hoạt động được thực hiện. Các nhà máy sản xuất cam hiện có của Umicore   ở Trung Quốc và Hàn Quốc hoạt động theo cách này. Tuy nhiên, tại Nysa, việc sản xuất được sắp xếp theo kiểu mô-đun. Các quy trình khác nhau được thực hiện trong các tòa nhà riêng biệt, với vật liệu được vận chuyển giữa chúng trong các thùng chứa khổng lồ giống như bao tải. Điều này cho phép chuyển đổi sản xuất nhanh chóng sang sản xuất các chất hóa học pin thay thế theo nhu cầu và để các quy trình mới được áp dụng dễ dàng hơn khi công nghệ phát triển. Sự sắp xếp này đang được sử dụng làm khuôn mẫu cho một  nhà máy cam  mà công ty đang xây dựng ở Canada.

Hiện tại, nguyên liệu thô chính đưa vào nhà máy Nysa là lithium, chủ yếu đến từ các mỏ ở Chile và Australia. Sau khi thử nghiệm, nó được pha trộn với nhiều tổ hợp niken, mangan và coban khác nhau trước khi được nấu trong những lò nung khổng lồ. Sau đó, nó được sàng, làm sạch và gửi đến các nhà sản xuất pin để sản xuất cái gọi là   pin nmc . Các phương pháp chính xác được sử dụng tại Nysa rất phức tạp và có tính độc quyền cao. Du khách và nhân viên không cần mang theo điện thoại cùng các vật dụng khác, bao gồm cả đồ trang sức (một số thiết bị sử dụng lực từ nhạy cảm).

Ngựa cho các khóa học

Các nhà sản xuất pin phủ  cam  lên một lá kim loại để tạo thành cực âm. Khi pin được sạc, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử lithium trên cực âm, tạo ra các hạt tích điện gọi là ion. Các ion di chuyển qua chất điện phân lỏng tới điện cực thứ hai, gọi là cực dương, thường được làm từ carbon. Các electron, bị ngăn không cho đi theo con đường này bởi vật liệu phân tách, thay vào đó sẽ di chuyển dọc theo dây dẫn của mạch sạc đến cực dương, nơi chúng tái hợp với các ion và được lưu trữ. Khi pin xả, quá trình này sẽ đảo ngược, cung cấp năng lượng cho các thiết bị giống như động cơ điện trong quá trình này.

Hầu hết các nhà sản xuất ô tô đang cố gắng sử dụng ít coban hơn hoặc loại bỏ hoàn toàn. Không chỉ đắt tiền, độc hại và hiếm mà việc khai thác coban còn có liên quan đến lạm dụng lao động ở Cộng hòa Dân chủ Congo, nguồn chính của nó. Vì lý do này, Umicore sử dụng quy trình giám sát để loại trừ các hành vi phi đạo đức. Việc truy xuất nguồn gốc như vậy ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là ở  EU  , nơi bắt buộc phải có “hộ chiếu pin” cho  xe điện từ tháng 2 năm 2027. Những thông tin này sẽ nêu chi tiết về nguồn gốc và bản chất của nguyên liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất của chúng.

Một giải pháp thay thế rẻ hơn cho  tế bào nmc  là sử dụng lithium-iron phosphate ( lfp ). Chúng không có coban và niken nhưng có mật độ năng lượng thấp hơn. Đối với một số mục đích sử dụng, điều này có thể không quan trọng. Ở Trung Quốc,  các phương tiện sử dụng động cơ lfp đang tỏ ra phổ biến với những người lái xe đô thị di chuyển quãng đường ngắn hơn. Một số Tesla tiêu chuẩn cũng sử dụng  pin lfp  .

Một chất thay thế khác cho lithium là natri, mặc dù nặng hơn nhưng lại rẻ và dễ kiếm. Pin natri có thể sử dụng cực âm làm từ kim loại tương đối rẻ, chẳng hạn như mangan và sắt, nhưng chúng cũng có mức hiệu suất thấp hơn  tế bào nmc  . Một số nhà sản xuất pin bao gồm cả  Catl của Trung Quốc , nhà sản xuất lớn nhất thế giới, đã thiết lập dây chuyền sản xuất pin natri. id TechEx, một công ty phân tích, cho rằng chúng có thể rẻ hơn 20-30% so với pin Li-ion. Một thị trường tiềm năng khổng lồ đang lưu trữ năng lượng tái tạo trên lưới điện, nơi mà trọng lượng tăng lên không còn là vấn đề nữa.

Đồng thời, pin Li-ion cũng đang được cải thiện. Các phiên bản trạng thái rắn mạnh mẽ, không có chất điện phân lỏng, sắp ra mắt. Toyota, trong số những hãng khác, đang phát triển những thứ này. Chúng sẽ nhỏ hơn và nhẹ hơn, tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của  xe điện hiện có và giảm thời gian sạc lại xuống còn vài phút. Lúc đầu, những thứ này sẽ đắt tiền và có khả năng xuất hiện trên các mẫu xe sang trọng và thể thao. Umicore đã bắt đầu sản xuất pin thể rắn tại một trung tâm tạo mẫu chuyên dụng ở Olen, Bỉ, để thử nghiệm trên xe cộ.

Vẫn còn nhiều hóa chất pin đang đến. Umicore đang khám phá  drx ( muối đá rối loạn), đề cập đến cấu trúc tinh thể có thể cung cấp cho tế bào Li-ion mật độ năng lượng tương đương với coban và niken, nhưng với các vật liệu sẵn có hơn, chẳng hạn như mangan và titan. Gerbrand Ceder và các đồng nghiệp của ông tại Đại học California, Berkeley cho rằng  pin drx  có thể được thương mại hóa trong vòng 5 năm tới.

Bất chấp doanh số bán xe điện chậm lại   , nhu cầu về vật liệu pin vẫn đang bùng nổ. Nhà máy Nysa, khai trương vào tháng 9 năm 2022, hiện đang mở rộng và nhà máy thứ hai đang được xây dựng bên cạnh trong liên doanh với PowerCo, một công ty kết hợp các hoạt động về pin của Tập đoàn Volkswagen. Kết hợp lại, hai nhà máy này có tiềm năng sản xuất hơn 200 gwh vật liệu cathode mỗi năm, đủ cho khoảng 3 triệu  EVs .

Ở phía bên kia của pin, cực dương cũng bắt đầu có nhiều đổi mới hơn. Group14 Technologies, một công ty có trụ sở gần Seattle, đã bắt đầu sản xuất vật liệu cực dương làm từ hỗn hợp silicon-carbon. Thông thường, cực dương được làm từ than chì. Silicon, rất dồi dào và rẻ tiền, về lý thuyết có thể hấp thụ các ion lithium gấp 10 lần so với than chì. Tuy nhiên, khi làm như vậy, silicon có thể phồng lên gấp ba hoặc bốn lần kích thước của nó, điều này sẽ khiến pin sử dụng chúng dễ bị hỏng. Grant Ray, người đứng đầu chiến lược của công ty, giải thích: Hỗn hợp của Nhóm 14 có chứa sự giãn nở vì nó nhốt silicon trong một “giàn giáo” được làm từ các hạt nano carbon. Điều này sẽ cho phép cực dương tổng hợp silicon tăng mật độ năng lượng của pin lên tới 50%. Khi công ty tăng quy mô sản xuất, những loại pin đầu tiên sử dụng cực dương silicon có thể sẽ có những ứng dụng hiệu suất cao—Porsche, một nhà sản xuất xe thể thao của Đức, là một trong những người ủng hộ công ty.

Chính xác thì tất cả các công nghệ pin đối thủ này phát triển như thế nào sẽ phụ thuộc vào giá nguyên liệu. Việc sử dụng ngày càng nhiều các chất rẻ hơn như natri có thể giảm bớt áp lực lên nguồn cung lithium, niken và coban. Việc tái chế cũng vậy, bởi vì ngày càng nhiều vật liệu làm pin sẽ đến từ số lượng  xe điện ngày càng đi đến cuối con đường. Chọn người chiến thắng thực sự sẽ khó khăn. Giống như nhà máy ở Nysa, ngành công nghiệp pin cần tất cả sự linh hoạt có thể có được.