Pin siêu nhẹ và cuộc cách mạng xe điện

Trọng lượng của các bộ pin lithium ion là một trong những nhược điểm lớn của công nghệ xe điện, không chỉ về mặt động lực học mà còn vì tải lớn sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Các xe điện luôn hướng đến sự bền vững, vậy nên nhược điểm này chẳng khác nào "gót chân Achilles" (câu ngạn ngữ ám chỉ điểm yếu duy nhất của người Achilles bất tử). Vậy nếu ta loại bỏ bộ pin thông thường, thay vào đó tích hợp công nghệ pin lưu trữ điện vào các bộ phận có sẵn khác của xe (để giảm trọng lượng) thì sao?

Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Chalmers và Học viện Công nghệ Hoàng gia KTH (Thuỵ Điển) đã nghĩ ra cái gọi là bộ lưu trữ năng lượng siêu nhẹ.

Ý tưởng này bắt nguồn từ giải đua Grand Prix những năm 1960, khi ​2 đội đua lừng danh ​BRM và Lotus​ lần đầu tiên tích hợp động cơ và hộp số thành một phần cấu trúc của khung gầm, giúp giảm trọng lượng của khung xe truyền thống. Bộ trữ năng lượng siêu nhẹ cũng tương tự như vậy. Nó tích hợp năng lượng điện của pin lithium ion vào một vật liệu cấu trúc dùng để chế tạo xe: hợp chất sợi carbon.

Pin lithium ion hiện hành có carbon bản cực âm (anot) và oxit kim loại bản cực dương (catot). Cả hai cực đều có thể hấp thụ các ion liti khi chúng di chuyển từ bên này sang bên kia thông qua chất điện phân trong quá trình sạc và ngưng sạc.

Khởi động từ năm 2007, dự án nghiên cứu của các nhà khoa học Thụy Điển đã đề xuất phương pháp sử dụng sợi carbon làm anot, còn lá nhôm phủ sắt photphat (FePO4) là catot. Hai cực được phân tách bằng vải sợi thủy tinh trong môi trường hỗn hợp điện phân. Ý tưởng mới đó là thay thế lá nhôm bằng sợi carbon và nối nó với lớp phân tách mỏng hơn. Điều này sẽ tạo ra một vật liệu dự trữ năng lượng không chỉ bền mà còn cứng cáp hơn, đồng thời nhẹ hơn.

Lúc đầu, nghiên cứu tập trung vào cấu trúc vi mô của sợi carbon. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng loại sợi có tinh thể nhỏ, định hình kém thì không cứng bằng loại sợi tinh thể lớn, định hình tốt, nhưng bù lại chúng có tính điện hóa tốt và là vật liệu thích hợp để làm 2 đầu cực cho pin.

Dù có vẻ hứa hẹn, vật liệu mới này lại không có mật độ năng lượng tốt như pin thông thường. Tỷ lệ năng lượng theo trọng lượng là 40 Wh/kg, chỉ bằng 17% mật độ năng lượng của pin 64 kWh trên chiếc Kia e-Niro. Thế nhưng công nghệ pin mới này sẽ giúp trọng lượng xe giảm bớt khoảng 460 kg và khiến xe chạy xa hơn, đạt hiệu suất cao hơn.

Câu hỏi tiếp theo được đặt ra sẽ là cần tích hợp bao nhiêu vật liệu mới vào cấu trúc xe? Đồng thời, xe sẽ vận hành như thế nào khi trọng lượng giảm, nhưng mật độ năng lượng cũng thấp hơn? Các thành viên trong nhóm dự án hy vọng rằng mật độ năng lượng của loại pin có 2 cực làm bằng sợi carbon này có thể được cải thiện lên tới 75 Wh/kg trong tương lai.

Vật liệu mới không chỉ có khả năng tích trữ năng lượng để cung cấp cho động cơ cùng các thiết bị phụ trợ như hệ thống sưởi, đèn, máy lạnh, mà còn lưu trữ năng lượng tạo bởi phanh tái tạo (regenerative braking). Nó cũng được chứng minh là phù hợp với cấu trúc xe điện. Dù ý tưởng còn mới và chi phí chắc chắn sẽ là một thách thức, ai cũng thấy rõ tiềm năng của việc tích hợp loại vật liệu này vào xe trong tương lai.