5 công nghệ pin hàng đầu định hình tương lai của xe điện

Xe điện về mặt kỹ thuật cũng không có gì mới. Thậm chí, chúng còn ra đời từ tận đầu những năm 1900 và được ưa chuộng trong suốt thế kỷ 20, nhưng chỉ đến bây giờ chúng mới trở nên phổ biến.

Trường hợp này cũng giống như động cơ đốt trong đã phát triển liên tục trong hơn 140 năm qua kể từ khi Karl Benz phát minh ra chiếc xe hơi đầu tiên (Benz Patent Motorwagen). Và công nghệ pin cũng sẽ như vậy khi xe điện được áp dụng rộng rãi.

Sau đây sẽ là những công nghệ pin đã, đang và sẽ định hình nên tương lai của ngành công nghiệp xe điện.

1. Pin Axit-Chì

Đây chính là công nghệ pin lâu đời nhất hiện nay. Tuy nhiên, axit-chì hầu như đã không còn tồn tại trong kỷ nguyên xe điện.

Pin axit-chì có nhiều điểm tương đồng với ắc-quy trên xe động cơ đốt trong. Loại pin này cũng được sử dụng trên những mẫu xe điện thế hệ đầu tiên, như mẫu General Motors EV1 sử dụng pin axit-chì 16.5-18.7 kWh cho phạm vi hoạt động 89 km.

Nhưng vì là một công nghệ sơ khai, pin axit-chì có lẽ còn lâu mới có thể trở nên hoàn hảo. Trọng lượng nặng, có năng lượng riêng thấp, phải vật lộn trong thời tiết lạnh và cần được thay thế vài năm một lần là những lý do khiến loại pin này trở nên kém lý tưởng.

2. Pin Niken-Metal Hydride

Là một phiên bản cải tiến của pin xe điện, pin Niken-Metal Hydride xuất hiện ở dạng tế bào hydride kim loại niken (NiMH). Loại pin này đã được sử dụng trong nhiều loại xe hybrid và xe điện phổ thông đời đầu như Nissan Leaf.

Một ưu điểm lớn của pin NiMH so với pin axit-chì là tuổi thọ dài và năng lượng riêng cao hơn đáng kể. Tức là với cùng một trọng lượng tương đương, pin NiMH có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn và nếu được chăm sóc và sạc đúng cách, nó có thể tồn tại lâu hơn pin axit-chì.

Nhưng pin NiMH không phải là không có khuyết điểm. Chúng cũng phải vật lộn trong điều kiện khí hậu lạnh giá. Chúng cũng tốn nhiều chi phí hơn để sản xuất, xả năng lượng quá nhanh khi không sử dụng, không hiệu quả và phải được sạc rất đặc biệt để tránh hư hỏng lâu dài.

3. Pin Lithium-Ion

Tiêu chuẩn vàng hiện nay trong công nghệ pin chính là lithium-ion. Nó bắt đầu như một sự tiến bộ của công nghệ pin được phát triển cho máy tính xách tay và điện thoại di động, và thường có tuổi thọ dài cũng như mật độ năng lượng cao.

Các tế bào Li-ion ban đầu rất nhạy cảm với nhiệt độ và có nguy cơ gây hỏa hoạn nếu được sạc không đúng cách hoặc bị thủng. Những loại pin này đã được phát triển tương đối kỹ lưỡng và là tùy chọn chính hiện có, với các chất hóa học mới làm cho chúng ổn định hơn, đậm đặc năng lượng hơn và dễ sạc lại hơn.

Chính vì nhạy cảm với nhiệt nên pin Lithium-Ion cần được làm nóng trước đến phạm vi hoạt động chính xác để duy trì sạc và duy tuổi thọ pin một cách hiệu quả, đó là lý do tại sao chức năng làm nóng pin được đưa vào nhiều loại xe điện hiện nay.

Trong lĩnh vực lithium-ion, có 2 biến thể chính. Một là NMC. Được đặt tên NMC là vì loại pin này phụ thuộc vào oxit niken mangan coban và pin lithium-ion. NMC hiện là loại pin phổ biến nhất trên nhiều mẫu xe điện dùng pin.

Mặc dù dễ sản xuất và tương đối ổn định, pin loại NMC đã không còn được ưa chuộng vì một số lý do.

Đầu tiên, vòng đời của chúng chỉ kéo dài trong vòng khoảng 10 năm, hai là chúng dễ bị thoát nhiệt. Niken và coban cũng gây tranh cãi, phần lớn là do việc tìm nguồn cung ứng một cách phi đạo đức các nguyên tố này trên thị trường, điều này đã khiến các nhà sản xuất phải tìm đến các giải pháp khác.

Biến thể thứ hai là LFP. Hiện tại, pin LFP đang nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn và thay thế niken và coban bằng sắt và phốt pho trong catốt (cực âm) của chúng. Đây là những vật liệu phổ biến rộng rãi hơn trên toàn cầu và dễ kiếm hơn theo cách có đạo đức.

Pin LFP nặng hơn pin NMC, dẫn đến mật độ năng lượng thấp hơn và phạm vi hoạt động ít hơn so với trọng lượng và kích thước của chúng. Loại pin này cũng phải vật lộn với nhiệt độ lạnh, đó là lý do tại sao các nhà sản xuất đã phát triển các chu trình làm nóng pin để giữ chúng trong phạm vi nhiệt độ tối ưu.

Pin LFP có chi phí sản xuất rẻ hơn, có ngưỡng nhiệt cao hơn khiến chúng ít bị cháy hơn, có tuổi thọ cao hơn và ít xuống cấp hơn. Chúng cũng sạc nhanh hơn và có thể xả nhanh hơn. Chính những yếu tố này khiến pin LFP trở nên lý tưởng từ góc độ hiệu suất cho đến tốc độ sạc.

4. Siêu tụ điệu

Siêu tụ điện là nguồn năng lượng bổ sung lưu trữ năng lượng trong chất lỏng phân cực giữa điện cực và chất điện phân đã được sử dụng trong siêu xe hybrid hiệu suất cao và có thể đóng vai trò hỗ trợ hiệu suất cho xe điện.

Đây là những giải pháp lưu trữ ngắn hạn có thể sạc và xả nhanh chóng, giúp tăng hiệu suất đáng kinh ngạc khi xe tăng tốc cũng như khi sạc nhanh khi phanh.

Là một nguồn năng lượng bổ sung hiệu suất cho xe điện, tiềm năng của siêu tụ điện là rất lớn.

5. Pin thể rắn

Được xem là tương lai của công nghệ pin trong xe điện, pin thể rắn dựa vào điện cực rắn và chất điện phân rắn thay vì sử dụng polyme lỏng hoặc gel như trong tất cả các loại pin nêu trên.

Về mặt lý thuyết, pin thể rắn sẽ cách mạng hóa xe điện chạy pin, vì với cấu trúc rắn, chúng sẽ làm tăng đáng kể tốc độ sạc và xả, cải thiện mật độ năng lượng đáng kể, giảm trọng lượng pin, giảm khả năng cháy nổ, đồng thời cải thiện chu kỳ và tuổi thọ của pin. Nói một cách tương đối, pin thể rắn là sự hoàn hảo của công nghệ pin.

Tuy nhiên, quá trình phát triển loại pin này vẫn đang ở giai đoạn đầu và mặc dù đã đạt được những bước nhảy vọt, nó vẫn chưa sẵn sàng để sản xuất hàng loạt.

Là một công nghệ sơ khai, pin thể rắn sẽ có giá thành rất cao cho đến khi nó đạt đến đỉnh trong quá trình phát triển – nơi nó có thể được áp dụng rộng rãi. Và không sớm thì muộn, ngành công nghiệp xe hơi sẽ nhanh chóng chứng kiến thời kì đó.

Một số nhà sản xuất thậm chí sẽ có các nguyên mẫu pin thể rắn hoạt động được vào cuối năm 2023.