Khám phá các loại pin xe điện: Chi tiết từng hợp chất hóa học

Khám phán các loại pin xe điện. Pin là một thành phần vô cùng quan trọng của một mẫu xe điện hiện đại, và ngày nay có khá nhiều hợp chất hóa học pin khác biệt đang được áp dụng phổ biến

Có thể nói rằng không tồn tại một công thức pin “chuẩn mực” áp dụng cho mọi mẫu xe điện, và nhiều khả năng điều đó sẽ không bao giờ xảy ra. Các hãng xe lựa chọn hóa học pin, định dạng cell và kiến trúc bộ pin dựa trên sự cân bằng kỹ lưỡng giữa chi phí, mật độ năng lượng, tốc độ sạc, độ an toàn, độ bền và yếu tố chuỗi cung ứng. Tương tự như động cơ đốt trong có thể là loại 4 xi-lanh hút khí tự nhiên nhỏ gọn hoặc V8 tăng áp tùy mục đích sử dụng, chiến lược pin xe điện cũng rất khác nhau tùy theo phân khúc và định vị thị trường.

Với những độc giả muốn hiểu rõ hơn về bức tranh toàn cảnh công nghệ pin EV, dưới đây là bản tổng quan đã được đối chiếu thông tin về các hóa học pin chủ yếu từng được sử dụng trong quá khứ và hiện tại trên xe điện, cùng những công nghệ đang định hình giai đoạn phát triển tiếp theo.

Lead Acid

Pin axit chì là công nghệ pin sạc lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng thương mại rộng rãi, xuất hiện từ thế kỷ 19. Loại pin này có chi phí thấp, độ tin cậy cao và khả năng tái chế tốt, với tỷ lệ tái chế tại Mỹ vượt 95%.

Trên các phương tiện hiện đại, bao gồm cả xe điện, pin axit chì thường đảm nhiệm vai trò pin phụ 12 volt để cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng, màn hình giải trí và các bộ điều khiển điện tử. Tuy nhiên, mật độ năng lượng thấp và trọng lượng lớn khiến chúng không phù hợp để làm pin truyền động chính cho xe điện hiện đại.

Về mặt lịch sử, những mẫu xe điện đời đầu như General Motors EV1 ban đầu đã sử dụng bộ pin axit chì trước khi chuyển sang công nghệ nickel metal hydride nhằm cải thiện phạm vi hoạt động và hiệu suất.

Nickel Metal Hydride (NiMH)

Pin nickel-metal hydride xuất hiện trước thế hệ lithium-ion hiện đại và trở nên phổ biến trên các mẫu hybrid từ cuối thập niên 1990. Công nghệ này nổi tiếng về độ bền, khả năng ổn định nhiệt tương đối tốt và thích ứng với nhiều điều kiện khí hậu.

Bộ pin NiMH vẫn được sử dụng rộng rãi trên các mẫu hybrid truyền thống, đặc biệt là xe của Toyota Motor Corporation, dù pin lithium-ion đang dần thay thế trong các thế hệ mới nhờ mật độ năng lượng cao hơn và trọng lượng nhẹ hơn.

So với lithium-ion, pin NiMH nặng hơn và lưu trữ ít năng lượng trên mỗi kilogram, do đó không phù hợp với xe điện thuần chạy pin.

Lithium Manganese Oxide (LMO)

Pin lithium manganese oxide sử dụng cathode gốc mangan, vốn ổn định nhiệt hơn và thường có chi phí thấp hơn so với các hóa học giàu nickel. Chúng có thể cung cấp công suất cao và hỗ trợ sạc tương đối nhanh.

Tuy nhiên, hóa học LMO thường có mật độ năng lượng thấp hơn và suy giảm dung lượng nhanh hơn theo thời gian. Những mẫu xe điện đầu tiên như Nissan Leaf thế hệ đầu và Chevrolet Volt đã sử dụng cell LMO hoặc hỗn hợp LMO. Về sau, các nhà sản xuất chuyển sang các hóa học có mật độ năng lượng cao hơn để đáp ứng nhu cầu tầm hoạt động dài.

Nickel Manganese Cobalt (NMC)

Nickel manganese cobalt là một trong những hóa học cathode lithium-ion phổ biến nhất trên toàn cầu, đặc biệt ở ngoài Trung Quốc. NMC mang lại mật độ năng lượng cao và hưởng lợi từ hệ sinh thái sản xuất quy mô lớn đã được thiết lập.

Phần lớn xe điện có phạm vi di chuyển dài tại Bắc Mỹ và Châu Âu đều sử dụng cell NMC, bao gồm các mẫu xe của Hyundai, Kia, BMW và Volkswagen. Hóa học này cân bằng giữa mật độ năng lượng và hiệu suất, nhưng phụ thuộc vào nickel và cobalt, những vật liệu có chi phí cao và chỉ được khai thác ở một số quốc gia. Bộ pin NMC cũng yêu cầu hệ thống quản lý nhiệt tiên tiến để đảm bảo ổn định.

Nickel Cobalt Aluminum (NCA)

Nickel cobalt aluminum là một hóa học lithium-ion mật độ năng lượng cao khác. Việc bổ sung nhôm giúp cải thiện độ ổn định cấu trúc và giảm tốc độ suy hao so với các hỗn hợp giàu nickel trước đây.

Công ty Tesla trong nhiều năm đã sử dụng cell NCA do Panasonic Corporation cung cấp trên nhiều mẫu xe điện phạm vi hoạt động dài. Tương tự NMC, NCA có mật độ năng lượng cao nhưng đòi hỏi hệ thống làm mát tinh vi và chi phí vật liệu tương đối lớn.

Một số nhà sản xuất cũng đang phát triển biến thể NCMA, bổ sung mangan để tiếp tục giảm tỷ lệ cobalt.

Lithium Iron Phosphate (LFP)

Lithium iron phosphate loại bỏ nickel và cobalt, thay bằng sắt và phốt phát, qua đó giảm đáng kể chi phí vật liệu và cải thiện độ an toàn cũng như tuổi thọ chu kỳ. Pin LFP ít nguy cơ xảy ra hiện tượng mất ổn định nhiệt và thường chịu được số chu kỳ sạc xả cao hơn so với các hóa học giàu nickel.

Đổi lại, mật độ năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, những cải tiến về thiết kế cell, bao gồm định dạng prismatic và cấu trúc cell to pack, đã giúp bù đắp phần nào hạn chế này. LFP hiện chiếm ưu thế trong phân khúc xe điện phổ thông tại Trung Quốc và ngày càng được sử dụng cho các mẫu xe tiêu chuẩn hoặc giá rẻ tại Châu Âu và Bắc Mỹ.

Lithium Manganese Iron Phosphate (LMFP)

LMFP phát triển từ nền tảng LFP, bổ sung mangan nhằm cải thiện điện áp và mật độ năng lượng trong khi vẫn giữ lợi thế về chi phí và an toàn.

Nhà cung cấp pin Trung Quốc Contemporary Amperex Technology Co. Limited đã giới thiệu dòng pin phosphate có chứa mangan với tên thương mại M3P. Mẫu Luxeed S7 là một trong những xe được cho là sử dụng công nghệ này. Theo các công bố, hóa học pin kết hợp phosphate và mangan, dù công thức chi tiết vẫn thuộc phạm vi sở hữu riêng.

Lithium Manganese Rich (LMR)

Lithium manganese rich tăng tỷ lệ mangan và giảm tỷ lệ nickel cùng cobalt, nhằm đạt được chi phí thấp hơn nhưng vẫn duy trì mật độ năng lượng cao.

Các hãng xe Mỹ như General Motors và Ford Motor Company đã công bố kế hoạch phát triển cell LMR với mục tiêu thương mại hóa vào cuối thập niên này. Theo định hướng công bố, tầm hoạt động có thể tương đương với xe dùng NMC, trong khi chi phí tiệm cận LFP.

Anode Silicon và Graphite Tổng Hợp

Đây không phải là một pin hóa học hoàn chỉnh mà là nhóm vật liệu anode. Phần lớn pin lithium-ion hiện nay có sử dụng anode graphite. Việc bổ sung silicon vào anode có thể tăng đáng kể mật độ năng lượng do silicon lưu trữ được nhiều ion lithium hơn graphite.

Tuy nhiên, silicon lại giãn nở trong quá trình sạc, và có thể gây suy giảm cơ học. Các công ty như Group14 Technologies và Sionic Energy đang phát triển anode chứa silicon hướng tới sản xuất quy mô thương mại.

Lithium Kim Loại

Pin lithium kim loại thay thế anode graphite bằng một lớp lithium kim loại mỏng, về lý thuyết cho mật độ năng lượng rất cao.

Thách thức chính là hiện tượng hình thành dendrite, tức là các cấu trúc nhọn có thể gây đoản mạch và ảnh hưởng đến an toàn. Các công ty khởi nghiệp như Factorial Energy và QuantumScape Corporation đang phát triển thiết kế lithium kim loại, thường kết hợp với công nghệ điện phân thể rắn.

Sodium Ion

Pin sodium-ion sử dụng natri thay cho lithium làm ion mang điện tích. Natri là chất hóa học dồi dào hơn nhiều trong tự nhiên, giúp giảm rủi ro chuỗi cung ứng và chi phí nguyên liệu. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của sodium-ion thường thấp hơn, phù hợp hơn với xe có tầm hoạt động ngắn hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng cố định.

Contemporary Amperex Technology Co. Limited đã bắt đầu thương mại hóa pin sodium-ion cho một số ứng dụng phương tiện và cho biết hiệu suất vẫn ổn định trong điều kiện nhiệt độ rất thấp, vốn là lợi thế của hóa học natri.

Pin Thể Rắn

Pin lithium-ion truyền thống sử dụng chất điện phân lỏng. Pin thể rắn thay thế bằng chất điện phân rắn, có thể là gốm, sulfide hoặc polymer.

Về lý thuyết, pin thể rắn có thể cải thiện độ an toàn, tăng mật độ năng lượng và rút ngắn thời gian sạc. Tuy nhiên, sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp và ít lỗi kỹ thuật vẫn là thách thức lớn. Vì vậy, các giải pháp bán rắn hoặc điện phân dạng gel được dự đoán sẽ thương mại hóa sớm hơn so với pin thể rắn hoàn toàn.

Không chỉ là hóa học: Định dạng cell và kiến trúc bộ pin

Như đã đề cập, tổ hợp hóa học pin chỉ là một phần của bài toán pin xe điện. Định dạng cell, bao gồm cylindrical, pouch và prismatic, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả đóng gói và quản lý nhiệt. Các chiến lược tích hợp như cell-to-pack hoặc tích hợp cấu trúc vào khung xe cũng có thể cải thiện mật độ năng lượng ở cấp độ hệ thống.

Khi tốc độ phổ cập xe điện tăng nhanh trên toàn cầu, các nhà sản xuất không chỉ tối ưu hóa công thức hóa học mà còn liên tục cải tiến quy trình sản xuất và kiến trúc bộ pin. Pin tối ưu không được quyết định bởi một thông số duy nhất, mà bởi khả năng cân bằng giữa chi phí, hiệu suất, độ an toàn, tuổi thọ và khả năng mở rộng trong từng phân khúc xe cụ thể.

Duy Thành