Tìm hiểu về các công nghệ pin trang bị trên xe ngày nay

No comments

Để có cái nhìn tổng quan về các công nghệ pin tồn tại ngày nay, mời các bạn cùng xem qua biểu đồ Ragone dưới đây : so sánh đánh giá định mức tỷ trọng năng lượng, công suất giữa các công nghê pin.

Đã bao giờ các bạn thắc mắc vì sao những chiếc xe mô tô phân khối lớn ngày nay đã dần chuyển sang sử dụng pin lithium-ion thay cho bình ắc quy khô/lỏng trước đây? Hay những chiếc xe lai hybird, xe chạy điện đang sử dụng bộ pin gì? Trong bài này mình sẽ chia sẻ các bạn về những công nghệ pin cho xe có mặt trên thị trường.

1/ Pin axít chì : được ra đời vào năm 1859, có thể coi đây là kỹ thuật pin lâu đời nhất được dùng cho tới tận ngày nay. Về nguyên lý hoạt động cơ bản, nó không khác nhiều so với mẫu pin đầu tiên được phát minh bởi Volta vào năm 1800. Pin axít chì được sử dụng rộng rãi vào thế kỷ 20 bởi giá thành rẻ, có tuổi thọ lâu, công suất lớn. Tuy nhiên, pin chì ngày nay, do những giới hạn của nó, không đáp ứng được những đòi hỏi cao về năng lượng và công suất cho hoạt động của xe ôtô nói chung và ôtô điện nói riêng nhưng nó vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho hoạt động của dòng 12/14V trên xe ôtô (bao gồm các thiết bị điện, điện tử trên xe, v.v…). Nhưng trong tương lai, có lẽ ngày cả vị trí này cũng sẽ bị thay thế bởi những kỹ thuật pin mới hơn.

2/ Pin Nickel-Cadium : được ra đời vào năm 1899 bởi nhà khoa học Thụy Điển Waldemar Junger. Có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp cũng như sản xuất ôtô vào nửa cuối thế kỷ 20 (1950-1990). Pin có cấu tạo bao gồm cực âm sử dụng kim loại Cadium, cực dương là hợp chất oxy-hydrôxít của Nickel (NiO(OH)) cùng dung môi KOH. So với pin axít chì thì pin Ni-Cd có hiệu năng tốt hơn do đó đã bước đầu được áp dụng trong ngành công nghiệp ôtô. Cụ thể, pin được trang bị trên 1 số mẫu xe như : Peugeot 106, Renault Kangoo, Citroen Saxo. Tuy vậy, dung tích của pin Ni-Cd chưa đủ lớn, chỉ cho phép xe chạy xấp xỉ 100km sau 1 lần sạc. Cùng với đó, pin Ni-Cd rất dễ bị “chai” (memory effect) : nếu người dùng thực hiện quy trình sạc-xả liên tục trong khoảng 20-80% dung tích thực của pin thì sau 1 thời gian, pin sẽ bị mất vĩnh viễn dung tích trong khoảng 0-20% và 80-100%, người dùng sẽ chỉ có thể sử dụng được 60% dung tích thực của pin. Chưa kể kim loại Cadium mà kim loại năng đã được chứng minh có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe của con người cũng như môi trường.

3/ Pin Ni-MH : ra đời vào năm 1989 và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ năm 1990 nhằm thay thế cho pin Ni-Cd trong hầu hết ứng dụng. So với pin Ni-Cd thì Ni-MH bớt ô nhiễm hơn do loại bỏ được kim loại nặng Cadium, thêm nữa khó bị “chai” hơn. Công nghệ Ni-MH cho phép có được 1 tỷ trọng năng lượng cao hơn Ni-Cd ( 55-70Wh/kg so với 40-60Wh/kg). Mức tỷ trọng này, cùng với tuổi thọ ngắn (1000 chu kỳ sạc-xả) vẫn là không đủ trong những ứng dụng xe 100% chạy điện. Tuy nhiên, nếu chỉ đóng vai trò nguồn cung cấp năng lượng phụ thì công nghệ Ni-MH lại rất hợp lý trong những ứng dụng xe lai không sạc HEV. Đặc biệt sau thành công của mẫu xe lai Hybrid huyền thoại Toyota Prius, nó đã trở thành sự lựa chọn số 1 của các hãng xe trong các dự án chế tạo xe Hybrid (2 triệu xe được trang bị công nghệ Ni-MH). . Ở cục dương của pin, ta có hợp chất Nickel dihydroxít (Ni(OH)2) . Ở cực âm là hợp chất kim loại MHx, trong đó M có thể là một hợp chất kim loại có dạng AB5 ví dụ như LaNi5 (LaNi5Hx). Dung môi sử dụng vẫn là KOH.

4/ Pin Lithium-ion : bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1980, sau đó, được chính thức bán ra thị trường vào năm 1991 bởi SONY tren các sản phẩm mấy ảnh của hãng. Đây là dòng pin phổ biến nhất hiện nay và có nhiều tiềm năng nhất trong việc đáp ứng những đòi hỏi cao hơn của những ứng dụng trong giao thông. Đây cũng là loại pin được trang bị trên hầu hết mọi mẫu xe điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho động cơ điện và thường hoạt động ở điện thế 400V. Về cấu tạo, pin Li-ion cũng bao gồm 2 cực điện thế âm, dương được đặt trong dung môi dưới dạng lỏng. Nguyên lý hoạt động của pin dựa trên phản ứng oxy hóa khử giữa 2 điện cực của pin. Để đạt được hiệu năng cao là cả một sự thách thức khi với mỗi một hợp chất kim loại khác nhau ở cực âm và cực dương, chưa kể ảnh hưởng của dung môi, lại có những hiện tượng khác nhau xảy ra mà không tuân theo bất kỳ quy luật nào. Đó là lý do mà vì sao cho đến tận bây giờ, tuy đã trải qua hơn 30 năm nghiên cứu và phát triển nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thực sự hiểu được tường tận nguyên lý hoạt động và toàn bộ quá trình xảy ra phản ứng của pin Li-ion. Tuy vậy, các nhà khoa học cũng đã tìm ra được một số tổ hợp cho ra những kết quả khả quan bước đầu đủ để ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Cực dương thường được chọn trong số những hợp chất sau : LiCoO2 (LCO), Li(NiCoAl)O2 (NCA), Li(NiMnCo)O2 (NMC), LiMn2O4 (LMO), LiFePO4 (LFP). Cực âm thì hiện nay phổ biến 2 hợp chất gồm : Graphít (C) và Li4Ti5O12 (LTO).

5/ Pin Lithium Metal Polyme : các nghiên cứu đầu tiên diễn ra vào những năm 1980 bởi công ty HydroQuébec (Canada) sau đó được tiếp tục bởi tập đoàn Bolloré (Pháp). Hiện tại, đây vẫn là tập đoàn duy nhất sử dụng công nghệ này để trang bị cho xe ôtô điện của mình. Đây cũng là tập đoàn cung cấp hệ thống xe điện công cộng (Auto’lib) cho thành phố Paris (Pháp). Đặc điểm của công nghệ này chính là dung môi thay vì ở dạng lỏng, lại là tập hợp của các chuỗi polyme dưới dạng dẻo, thuận tiện hơn trong quy trình sản xuất pin. Ngoài ra, cực âm của pin là kim loại Lithium nguyên chất, còn cực dương có thể được lựa chọn từ những hợp chất tương tự công nghệ Li-ion. Cũng chính vì toàn bộ khối pin đều ở trạng thái “rắn” nên giảm bớt được nguy cơ rò rỉ chất lỏng, chất khí hoặc tăng giảm thể tích như khi sử dụng công nghệ Li-ion. Không chỉ thế, với việc dung môi ở thể rắn, có tác dụng tạo nên 1 hàng rào vật lý cản trở sự phát triển của các răng cưa Li (dendrite), điều mà trước đây có khả năng dẫn đến hiện tượng đoản mạch của pin khi các răng cưa này phát triển từ cực âm và chạm tới cực dương của pin. Thêm nữa, việc tái chế cũng dễ dàng hơn. Tuy nghiên, nhược điểm là để có thể duy trì được tốc độ phản ứng (hay tốc độ di chuyển của ion Li+ trong dung môi rắn), pin LMP cần luôn luôn được giữ ở nhiệt độ cao (80 độ C), do đó hiệu suất năng lượng là không cao.

Có thể thấy cho đến hiện nay, xét trên nhiều khía cạnh thì công nghệ pin Li-ion là công nghệ vượt trội so với các công nghệ pin khác, hơn nữa còn rất nhiều tiềm năng để phát triển thay vì đã chạm mức như một số công nghệ khác (Lithium Polyme). Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách khá xa so với các loại nhiên liệu thô như xăng và dầu Diesel.