Công nghệ pin ô tô điện tương lai thay đổi ngành sản xuất ô tô toàn cầu

Công nghệ xe điện phát triển theo số nhân đòi hỏi những công nghệ pin mới. Do đó, các hãng sản xuất đang tạo ra cuộc “chạy đua” khốc liệt, hé mở những công nghệ pin ô tô điện tương lai đầy triển vọng.

Giao thông vận tải là yếu tố lớn thứ 3 dẫn tới phát thải khí nhà kính, biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Để cứu trái đất, không còn cách nào khác, loài người cần phát triển giao thông xanh với nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng điện, năng lượng nói không với nhiên liệu hóa thạch. Xe điện với công nghệ pin ô tô điện không phát thải sẽ là tương lai của nhân loại.

Xe điện với công nghệ pin ô tô điện thân thiện với môi trường là tương lai của nhân loại

Hiện nay, các hãng sản xuất xe đặt nhiều tâm huyết vào việc nghiên cứu để tối ưu công nghệ xe điện. Trong đó, công nghệ pin ô tô điện chính là vấn đề mấu chốt. Thậm chí, đang có một cuộc “chạy đua” sản xuất pin diễn ra khốc liệt nhằm tìm ra những công nghệ pin ô tô điện tân tiến cho tương lai. Đến nay có 5 công nghệ pin ô tô điện tương lai được đánh giá là có tầm ảnh hưởng đến cục diện chung của ngành sản xuất ô tô toàn cầu là: pin không khí, pin Nano, pin Carbon Silicon, pin Lithium – lưu huỳnh và pin thể rắn Solid State.

Pin ô tô chi phí thấp, hiệu năng cao và thân thiện với môi trường trở thành xu thế (Nguồn: Sưu tầm)

1. Pin không khí Lithium Air

Năm 2012, sự kiện hãng IBM (Mỹ) nghiên cứu chế tạo thành công pin không khí (Lithium Air) được coi là dấu mốc có tính bước ngoặt của ngành chế tạo pin.

Pin Lithium Air lấy Oxy từ không khí, lưu trữ vào không gian có kích cỡ angstrom (tương đương 0.00000000001m) với cấu trúc nano carbon tên là Catot. Khi xả pin, Oxy phản ứng với các ion lithi tạo thành hợp chất vô cơ lithium peroxide (Li₂O₂) sinh ra điện năng. Còn khi cắm điện sạc, Oxy được thải lại vào trong không khí, ion lithi cũng quay trở lại điện cực âm. Cơ chế này giúp tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường.

Mặc dù pin không khí chỉ có trọng lượng bằng 1/5 pin Li-ion nhưng có khả năng cung cấp lượng điện đảm bảo xe có thể chạy tới 800km. Tuổi thọ của pin Li-air cũng dài hơn pin Li-ion gấp 5 lần.

Ắc quy của pin không khí Lithium Air có vòng đời lên tới 500 lần sạc tương đương 320.000 km. Con số này ở ắc quy truyền thống chỉ tối đa 25 lần sạc. Pin Li-air còn có khả năng cung cấp 10.000 mAh bởi mỗi gam vật liệu Catot. Vì vậy, kích thước và trọng lượng của pin có thể được tinh chỉnh tối đa để giảm gánh nặng rác thải pin ra môi trường.

Pin không khí có vòng đời tối đa là 500 lần sạc trong khi pin thông thường là 25 lần sạc (Nguồn: Sưu tầm)

2. Pin Nano

Trong các loại pin ô tô điện thông thường, chất lỏng và chất rắn tương tác với nhau, gây ra hiện tượng phóng điện thấp, làm giảm tuổi thọ của pin. Để giải quyết vấn đề này, các chuyên gia sử dụng vật liệu Nano như một lớp phủ, ngăn cách các điện cực khỏi các chất lỏng trong pin khi pin không được sử dụng. Pin Nano gây kinh ngạc với kích thước nhỏ hơn sợi tóc 80.000 lần nhưng có tuổi thọ lên tới 28.000 năm. Ngoài ra, loại pin này có thể sạc đầy chỉ sau 12 phút và tự sạc lại hàng nghìn lần.

Pin Nano chứa các hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm, sử dụng chất thải phóng xạ, vật liệu hạt nhân để tạo ra năng lượng điện. Nhà sản xuất dùng các loại than chì phóng xạ dư thừa tạo một cấu trúc phân lớp sản xuất ra điện. Mặc dù liên quan đến vật liệu hạt nhân nhưng pin Nano có bức xạ nhỏ hơn bức xạ tự nhiên, việc sử dụng loại pin này an toàn tuyệt đối cho sức khỏe người sử dụng.

Ứng dụng công nghệ Nano để sản xuất pin giúp tăng năng lượng khả dụng của pin, đồng thời giảm thời gian sạc. Các hạt Nano phủ lên bề mặt điện cực làm tăng diện tích bề mặt, từ đó cho phép nhiều dòng điện chạy qua giữa điện cực và hóa chất bên trong pin. Pin Nano sẽ cung cấp năng lượng cho xe điện trong khoảng 90 năm chỉ sau 1 lần sạc, hạn chế rác thải từ pin và bảo vệ môi trường.

Tuy nhiên, hạt Nano có diện tích bề mặt lớn, dễ gây ra các phản ứng trên bề mặt với không khí. Trong khi đó, mật độ hạt Nano thấp làm giảm độ dẫn điện của vật liệu. Ngoài ra, vật liệu Nano khó sản xuất và giá thành rất cao. Hiện, công nghệ pin tương lai này được kỳ vọng có thể ứng dụng vào lĩnh vực y tế.

Pin Nano có khả năng sạc đầy chỉ sau 12 phút và tự sạc hàng nghìn lần (Nguồn: Sưu tầm)

3. Pin Carbon Silicon

So với than và chì, việc sử dụng vật liệu silicon cho điện cực dương giúp tăng dung lượng lưu trữ gấp 10 lần. Tuy nhiên, silicon có nhược điểm là dễ giãn nở, co lại hoặc vỡ thành nhiều mảnh nhỏ khi phóng điện gây hỏng pin.

Để tăng độ bền cho pin Carbon Silicon, các nhà khoa học đã cải tiến vật liệu silicon thành hạt nano silicon, đồng thời sử dụng cấu trúc nano silicon kẹp giữa nano carbon. Cải tiến này không chỉ làm tăng khả năng lưu trữ điện lên gấp 10 lần mà còn duy trì liên kết giữa các hạt nano silicon sau 500 chu kỳ hoạt động, từ đó tăng độ bền của pin.

Vật liệu nano carbon tạo ra cơ chế đệm giúp pin carbon tăng tốc độ sạc lên 4 lần so với pin thông thường. Công nghệ pin tương lai này sẽ tạo ra thay đổi đáng kể cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đặc biệt là xe điện thông minh.

Một số nhà khoa học đã có ý tưởng sử dụng carbon silicon trong hệ thống năng lượng du hành vũ trụ và tàu thám hiểm sao Hỏa nhằm giảm thiểu chi phí cho sứ mệnh đi vào không gian của nhân loại.

Nhóm nghiên cứu tại đại học Clemson (Mỹ) đang phát triển pin carbon silicon (Nguồn: Sưu tầm)

Pin Lithium – lưu huỳnh

Pin Lithium – lưu huỳnh có nguyên lý hoạt động cơ bản giống với pin Lithium – ion tiêu chuẩn. Tuy nhiên, các nhà khoa học sử dụng cực âm sulphur (lưu huỳnh) cho pin Lithium – lưu huỳnh mang lại khả năng sạc cao gấp 10 lần nhưng ít tiêu hao năng lượng hơn các loại pin thông thường.

Lưu huỳnh là tài nguyên dồi dào. Việc đưa lưu huỳnh vào sản xuất pin tương lai giúp tối ưu chi phí, đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường.

Tuy nhiên, nhược điểm của pin Lithium – lưu huỳnh là phần điện cực lithium xuống cấp nhanh sau một thời gian sử dụng, dễ gây cháy nổ và giảm tuổi thọ pin.

Pin Lithium – lưu huỳnh có khả năng sạc cao gấp 10 lần pin thông thường (Nguồn: Sưu tầm)

4. Pin thể rắn solid state (SSB)

Một trong các loại pin ô tô điện là pin thể rắn solid state (SSB). Cấu tạo của pin thể rắn Solid State gồm cực âm làm bằng oxit kim loại, cực dương làm từ carbon, bộ phân tách và chất điện phân.

Hai điện cực và chất điện phân của pin thể rắn được nén thành 3 lớp phẳng giúp giảm kích thước pin nhưng giữ nguyên hiệu suất sạc. Bên cạnh đó, pin thể rắn SSB an toàn hơn hầu hết các loại pin thông thường vì không chứa chất lỏng độc hại, không dễ cháy và không tỏa ra nhiều nhiệt lượng.

Pin thể rắn Solid State hạn chế khả năng bắt lửa và rò rỉ điện do có tính ổn định điện hóa, mật độ năng lượng cao. Độ bền của pin thể rắn lên tới 10 năm và tốc độ sạc nhanh gấp 6 lần so với pin thông thường.

Theo FutureBridge, pin thể rắn với công nghệ pin xe ô tô điện mới sẽ mở ra tương lai cho ngành công nghệ chế tạo pin và ngành công nghiệp sản xuất xe điện. Riêng trong năm 2020 đã có tới 426 hồ sơ bằng sáng chế pin thể rắn được công bố. Tuy nhiên, giá thành cao đang là rào cản để thương mại hóa loại pin này. Các công ty xe điện đang nỗ lực nghiên cứu công nghệ sản xuất nhằm giảm chi phí cho pin thể rắn. Dự đoán đến năm 2030 hoặc sớm hơn, loại pin này sẽ bắt đầu được bán trên thị trường.

Pin thể rắn Solid State ít bị mòn, bị nổ do tác động nhiệt (Nguồn: Sưu tầm)

Nguồn Vinfastauto