Từ chì-axit đến pin trạng thái rắn: Tiến hóa pin xe điện

[Nguyễn Tiến Đạt]

Không có một loại pin nào phù hợp cho mọi trường hợp, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện. Tương tự như động cơ đốt trong có nhiều cấu hình khác nhau, pin xe điện cũng được thiết kế dựa trên sự cân bằng giữa chi phí, phạm vi hoạt động và hiệu suất.

Các nhà sản xuất xe điện lựa chọn hóa chất pin, định dạng cell và thiết kế bộ pin khác nhau để phục vụ từng mục đích sử dụng. Dưới đây là tổng quan về những hóa chất pin quan trọng nhất, từ các công nghệ đã xuất hiện từ sớm đến những giải pháp đang định hình tương lai xe điện.

Các loại hóa chất pin xe điện phổ biến hiện nay

Axit chì​

Ắc quy chì-axit là loại pin sạc lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng rộng rãi. Chúng rẻ, đáng tin cậy và dễ tái chế. Ắc quy 12 volt trên cả xe chạy xăng lẫn xe điện hiện nay vẫn là chì-axit. Tuy nhiên, do trọng lượng lớn và mật độ năng lượng thấp, loại pin này không phù hợp để làm pin truyền động cho xe điện hiện đại. Trong quá khứ, General Motors EV1 thế hệ đầu từng sử dụng pin chì-axit trước khi chuyển sang công nghệ khác.

Niken kim loại hydrua (NiMH)​

Pin NiMH xuất hiện trước lithium-ion và được sử dụng phổ biến trên xe hybrid. Chúng bền, hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khí hậu nhưng nặng và có mật độ năng lượng thấp. Hiện nay, pin NiMH vẫn phổ biến trên nhiều mẫu hybrid, đặc biệt của Toyota, dù đang dần bị thay thế bởi pin lithium-ion.

Lithium mangan oxit (LMO)​

Pin LMO dùng catốt gốc mangan, chi phí thấp và ổn định nhiệt hơn các pin giàu niken. Chúng có khả năng sạc nhanh và cung cấp công suất cao, nhưng nhanh xuống cấp và mật độ năng lượng thấp. Công nghệ này từng được dùng trên Nissan Leaf và Chevrolet Volt đời đầu, nhưng không còn phù hợp với xe điện đường dài.

Niken mangan coban (NMC)​

NMC là loại pin phổ biến nhất ngoài Trung Quốc. Với mật độ năng lượng cao và chuỗi cung ứng trưởng thành, NMC được sử dụng trên phần lớn xe điện của Hyundai, Kia, BMW, Volkswagen và Toyota. Nhược điểm của NMC là chi phí cao, hiệu suất giảm trong thời tiết lạnh và độ ổn định nhiệt kém hơn so với LFP.

Niken coban nhôm (NCA)​

Pin NCA thay mangan bằng nhôm để tăng độ ổn định và giảm suy giảm hiệu suất. Tesla từ lâu đã sử dụng pin NCA do Panasonic sản xuất. Một biến thể khác là NCMA hiện được General Motors áp dụng cho xe tải và SUV. Tuy có mật độ năng lượng cao, NCA đòi hỏi hệ thống làm mát phức tạp và chi phí sản xuất cao.

Lithium sắt photphat (LFP)​

Pin LFP loại bỏ hoàn toàn niken, mangan và coban, giúp giảm chi phí, tăng độ an toàn và kéo dài tuổi thọ chu kỳ. Dù mật độ năng lượng thấp hơn, các giải pháp như pin hình lăng trụ và cell-to-pack đã giúp cải thiện nhược điểm này. LFP rất phổ biến tại Trung Quốc và đang được nhiều hãng tại Mỹ, châu Âu sử dụng cho xe điện giá phải chăng.

Các công nghệ pin xe điện đang định hình tương lai

Lithium mangan sắt photphat (LMFP)​

LMFP là phiên bản nâng cấp của LFP bằng cách bổ sung mangan để cải thiện phạm vi hoạt động. Gotion cho biết pin LMFP của họ có thể đạt hơn 1.800 chu kỳ và phạm vi 621 dặm (~999 km). CATL cũng phát triển pin M3P chứa phosphate và mangan, hiện được sử dụng trên Luxeed S7 và đang được hợp tác nghiên cứu cùng Tesla.

Lithium mangan giàu (LMR)​

LMR là hướng tiếp cận của Bắc Mỹ và châu Âu nhằm giảm phụ thuộc vào chuỗi cung ứng Trung Quốc. Bằng cách giảm niken và coban, tăng mangan, pin LMR đạt phạm vi tương đương NMC với chi phí gần LFP. General Motors và Ford đặt mục tiêu ứng dụng pin LMR vào SUV và xe bán tải từ năm 2028, với phạm vi hơn 400 dặm (~644 km).

Anode silicon và than chì tổng hợp​

Thay vì dùng than chì truyền thống, các nhà sản xuất đang thử nghiệm silicon hoặc than chì tổng hợp để tăng mật độ năng lượng và giảm kích thước pin. Group14 Technologies và Sionic Energy cho biết đã phát triển cực dương silicon sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt, mở ra khả năng pin nhỏ hơn nhưng vẫn giữ nguyên phạm vi hoạt động.

Pin kim loại lithium​

Pin kim loại lithium sử dụng tấm lithium mỏng làm cực dương, cho mật độ năng lượng lý thuyết cao nhất. Tuy nhiên, hiện tượng hình thành dendrite khiến công nghệ này khó sản xuất hàng loạt. Các công ty như Factorial Energy và QuantumScape đang nghiên cứu giải pháp này.

Pin ion natri​

Pin ion natri là lựa chọn thay thế chi phí thấp cho LFP, đặc biệt tại Trung Quốc. Natri dồi dào hơn lithium khoảng 1.000 lần, nhưng mật độ năng lượng thấp hơn, phù hợp cho xe điện cỡ nhỏ và lưu trữ năng lượng. CATL đã sản xuất pin natri cho xe tải và xe điện, duy trì hiệu suất tốt ngay cả trong điều kiện cực lạnh.

Pin trạng thái rắn​

Pin trạng thái rắn thay chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn như gốm hoặc polymer, giúp tăng phạm vi, sạc nhanh hơn và cải thiện độ an toàn. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Trước mắt, pin bán rắn dùng chất điện phân dạng gel được kỳ vọng sẽ xuất hiện sớm hơn.

Cuối cùng, hiệu suất xe điện không chỉ phụ thuộc vào hóa chất pin mà còn vào hình dạng cell, cách đóng gói và tích hợp pin vào khung xe. Đây là những yếu tố sẽ tiếp tục được phân tích sâu hơn trong các bài viết tiếp theo.(insideevs)