Ngọc Yến
Writer
Thời lượng pin luôn là một điểm nhức nhối lớn trong quá trình phát triển các phương tiện chạy điện. Ở giai đoạn này, mặc dù một số pin lithium ba cấp có tuổi thọ pin hơn 1.000 km, nhưng công nghệ này dường như đã rơi vào giai đoạn thắt cổ chai. Pin thể rắn đã trở thành một điểm uốn mới.
Hiện tại, hơn 90% phương tiện năng lượng mới trên thị trường là pin lithium ternary và pin lithium iron phosphate, so với pin nhiên liệu, pin axit-chì và pin hydride kim loại niken, pin lithium-ion có nhiều lợi thế toàn diện rõ ràng hơn nhưng bị giới hạn bởi vật liệu pin. Tác động của các thuộc tính riêng, tuổi thọ pin và hiệu suất an toàn luôn là điểm nhức nhối của các công ty ô tô lớn.
"Mùa đông sợ lạnh, mùa hè sợ nóng", chạy tốc độ cao vào mùa đông, hiệu suất của xe điện thuần túy được phản ánh đầy đủ, trong điều kiện thời tiết nhiệt độ thấp, tỷ lệ đạt được tuổi thọ của pin chỉ khoảng 70%. Tuổi thọ pin khi còn mới chỉ là 400 km.
Thời lượng pin 400 km cho một lần sạc rẻ hơn ô tô nhiên liệu nhưng vấn đề là xe điện thuần túy sạc chậm và ít điểm sạc, ngay cả khi sạc nhanh cũng phải mất hơn nửa tiếng để sạc từ 20% lên 80%, nhất là dịp lễ, cảnh xếp hàng chờ sạc ở khu vực dịch vụ đường cao tốc diễn ra quá mệt mỏi.
Ngoài ra, vấn đề an toàn của pin là điểm khó khăn nhất. Lấy pin lithium ternary làm ví dụ, mật độ năng lượng, hiệu suất nhiệt độ thấp và phạm vi hành trình đều tốt hơn pin lithium iron phosphate.Tuy nhiên, do hoạt động hóa học cao của pin vật liệu điện cực dương, nó không chịu được nhiệt độ cao, trong trường hợp va chạm mạnh, đùn, đoản mạch... rất dễ gây ra hỏa hoạn.
Trong vài năm qua, hầu hết các hãng xe hơi đều ưa chuộng pin lithium, giống như Tesla, hãng đã trang bị pin lithium bậc ba (pin lithium-ion bậc ba có mật độ năng lượng cao, vòng đời dài và không sợ nhiệt độ thấp; chúng không đủ ổn định ở nhiệt độ cao) cho đến năm 2019. Với việc không ngừng nâng cấp công nghệ pin, thời lượng hoạt động của xe đã đạt được bước đột phá nhất định. Pin lithium đang dần chiếm ưu thế và nhiều công ty ô tô đã bắt đầu sử dụng pin lithium iron phosphate.
Mặc dù pin lithium iron phosphate ổn định hơn so với pin lithium bậc ba trong môi trường thông thường nhưng chúng vẫn không ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, mật độ năng lượng của bản thân pin thấp hơn một chút và hiệu suất ở nhiệt độ thấp là không tốt bằng pin lithium ternary.
Để đạt được mục tiêu này, nhiều công ty ô tô đã tung ra các loại pin lithium tự phát triển, chẳng hạn như pin lưỡi cắt (blade battery) của BYD, pin hình trụ lớn 4680 của Tesla và pin Kirin của Ningde Times.
Tuy nhiên, do bản thân các đặc tính quyết định phần lớn hiệu suất của pin, nên ngay cả khi có nhiều kỹ thuật ưu việt khác nhau, nó cũng không thể thay đổi về cơ bản.
Trong vài năm qua, thời lượng pin của pin lithium thực sự đã có những bước tiến vượt bậc, từ thời lượng pin ban đầu là 200 km đến thời lượng pin hiện tại là gần 1.000 km.
Một số hãng xe tung ra phiên bản có thời lượng pin lên tới hơn 1.000 km, nhưng có thể thấy tích tụ nhiều hơn là dung lượng, ắc quy lớn hơn, thời gian sạc lâu hơn và giá đắt hơn. Cũng giống như phiên bản chạy pin Jikrypton 009 Kirin, với tuổi thọ pin hơn 1.000 km và trọng lượng pin gần 600 kg, giá xe điện có thể vượt ngưỡng 1,4 tỷ đồng, mức giá chỉ phù hợp với một bộ phận rất nhỏ người dân.
Công nghệ ngày càng khó đột phá, trước tình hình hiện nay, nhiều hãng xe hơi trên thế giới đã hướng sự chú ý đến pin thể rắn.
Do pin thể rắn có nhiều ưu điểm hơn so với pin lithium hiện tại về mật độ năng lượng, tuổi thọ pin, tuổi thọ chu kỳ sạc, độ ổn định của pin, độ an toàn và bảo vệ môi trường, nên chúng được coi là "một trong những loại pin năng lượng có khả năng giành chiến thắng nhất tại hiện tại". Nhiều điểm yếu của xe điện thuần túy có thể được giải quyết bằng pin thể rắn.
Về độ an toàn, pin hoàn toàn ở trạng thái rắn sử dụng chất điện phân ở trạng thái rắn thay vì chất điện phân ở dạng lỏng của pin lithium. Dưới góc độ tính chất hóa học của vật liệu, nó ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và không có hiện tượng "thoát nhiệt" và hiệu suất của nó ổn định hơn, tính bảo mật cao.
Về thời lượng pin, mật độ năng lượng của pin thể rắn gần gấp đôi so với pin lithium, mật độ năng lượng của pin Kirin đạt 255Wh/kg, có thể nói là một trong những loại pin lithium có mật độ năng lượng cao nhất tại giai đoạn hiện tại. Pin trạng thái rắn, mật độ năng lượng nói chung có thể đạt tới 300Wh/kg-400Wh/kg.
Điều này có nghĩa là phạm vi hành trình của pin thể rắn ít nhất gấp đôi so với pin lithium và phạm vi hành trình thực tế có thể dễ dàng vượt quá 1.000 km.
Tất nhiên, pin thể rắn vẫn có hai nhược điểm lớn: do trở kháng giao diện cao và độ dẫn điện của chất điện phân thể rắn thấp nên quá trình truyền năng lượng của pin không đủ ổn định và chi phí sản xuất pin cao, được cho là gấp 3-4 lần so với pin lithium.
Pin dạng blade
Pin thể rắn tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng gặp không ít khó khăn hiện nay, ở giai đoạn hiện tại, pin thể rắn toàn phần vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển sản phẩm thử nghiệm trên toàn thế giới.
Vì lý do này, nhiều hãng xe đã chuyển hướng sang pin bán rắn, một mặt giảm độ khó kỹ thuật, mặt khác sẽ được thị trường chấp nhận cao hơn, một số hãng xe tuyên bố sẽ ra mắt pin bán rắn từ năm 2030.
Ở giai đoạn này, công nghệ pin bán rắn ngày càng hoàn thiện và một số công ty ô tô đã tuyên bố sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt, đây là một tin tuyệt vời cho các phương tiện năng lượng mới.
Theo người phụ trách Weilan Technology, loại pin bán rắn 150kwh đã bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt, mật độ năng lượng của loại pin bán rắn này đạt 360Wh/kg, vượt xa loại pin lithium bậc ba hiện tại, thời lượng pin có thể đạt tới 1100 km.
Tuy nhiên, pin bán rắn vẫn chứa khoảng 10% chất điện phân lỏng, tương tự như pin "thạch" và vẫn còn một khoảng cách nhất định với pin toàn thể rắn về độ an toàn, mật độ năng lượng, thời lượng pin và tuổi thọ.
Ngoài ra, Nissan trước đó cũng thông báo đã phát triển thành công loại pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, sẽ được sản xuất hàng loạt vào năm 2025, sạc trong 3 phút và tuổi thọ pin lên tới 1.000 km.
Ưu điểm toàn diện của pin bán rắn đã rất rõ ràng, một khi pin bán rắn có những đột phá về giá thành và công nghệ và bắt đầu sản xuất hàng loạt, đó chắc chắn sẽ là một phát kiến mang tính lịch sử đối với các phương tiện năng lượng mới.
Trên con đường phát triển phương tiện năng lượng mới, các công ty ô tô Trung Quốc đang dẫn đầu thế giới và các công ty Trung Quốc chiếm 6 trong số 10 công ty sản xuất pin năng lượng hàng đầu thế giới.
Nhưng chúng ta cũng phải thấy rằng trước những cơ hội do pin năng lượng mang lại, Châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản đang nỗ lực hết sức để phát triển các công nghệ mới và họ đều muốn nắm bắt cơ hội này và loại bỏ tình trạng "bị bỏ lại phía sau".
Hiện tại, hơn 90% phương tiện năng lượng mới trên thị trường là pin lithium ternary và pin lithium iron phosphate, so với pin nhiên liệu, pin axit-chì và pin hydride kim loại niken, pin lithium-ion có nhiều lợi thế toàn diện rõ ràng hơn nhưng bị giới hạn bởi vật liệu pin. Tác động của các thuộc tính riêng, tuổi thọ pin và hiệu suất an toàn luôn là điểm nhức nhối của các công ty ô tô lớn.
Thời lượng pin 400 km cho một lần sạc rẻ hơn ô tô nhiên liệu nhưng vấn đề là xe điện thuần túy sạc chậm và ít điểm sạc, ngay cả khi sạc nhanh cũng phải mất hơn nửa tiếng để sạc từ 20% lên 80%, nhất là dịp lễ, cảnh xếp hàng chờ sạc ở khu vực dịch vụ đường cao tốc diễn ra quá mệt mỏi.
Ngoài ra, vấn đề an toàn của pin là điểm khó khăn nhất. Lấy pin lithium ternary làm ví dụ, mật độ năng lượng, hiệu suất nhiệt độ thấp và phạm vi hành trình đều tốt hơn pin lithium iron phosphate.Tuy nhiên, do hoạt động hóa học cao của pin vật liệu điện cực dương, nó không chịu được nhiệt độ cao, trong trường hợp va chạm mạnh, đùn, đoản mạch... rất dễ gây ra hỏa hoạn.
Trong vài năm qua, hầu hết các hãng xe hơi đều ưa chuộng pin lithium, giống như Tesla, hãng đã trang bị pin lithium bậc ba (pin lithium-ion bậc ba có mật độ năng lượng cao, vòng đời dài và không sợ nhiệt độ thấp; chúng không đủ ổn định ở nhiệt độ cao) cho đến năm 2019. Với việc không ngừng nâng cấp công nghệ pin, thời lượng hoạt động của xe đã đạt được bước đột phá nhất định. Pin lithium đang dần chiếm ưu thế và nhiều công ty ô tô đã bắt đầu sử dụng pin lithium iron phosphate.
Mặc dù pin lithium iron phosphate ổn định hơn so với pin lithium bậc ba trong môi trường thông thường nhưng chúng vẫn không ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, mật độ năng lượng của bản thân pin thấp hơn một chút và hiệu suất ở nhiệt độ thấp là không tốt bằng pin lithium ternary.
Để đạt được mục tiêu này, nhiều công ty ô tô đã tung ra các loại pin lithium tự phát triển, chẳng hạn như pin lưỡi cắt (blade battery) của BYD, pin hình trụ lớn 4680 của Tesla và pin Kirin của Ningde Times.
Tuy nhiên, do bản thân các đặc tính quyết định phần lớn hiệu suất của pin, nên ngay cả khi có nhiều kỹ thuật ưu việt khác nhau, nó cũng không thể thay đổi về cơ bản.
Pin lithium gặp phải nút thắt cổ chai, nút đổi mới hoặc pin trạng thái rắn
Một số hãng xe tung ra phiên bản có thời lượng pin lên tới hơn 1.000 km, nhưng có thể thấy tích tụ nhiều hơn là dung lượng, ắc quy lớn hơn, thời gian sạc lâu hơn và giá đắt hơn. Cũng giống như phiên bản chạy pin Jikrypton 009 Kirin, với tuổi thọ pin hơn 1.000 km và trọng lượng pin gần 600 kg, giá xe điện có thể vượt ngưỡng 1,4 tỷ đồng, mức giá chỉ phù hợp với một bộ phận rất nhỏ người dân.
Công nghệ ngày càng khó đột phá, trước tình hình hiện nay, nhiều hãng xe hơi trên thế giới đã hướng sự chú ý đến pin thể rắn.
Do pin thể rắn có nhiều ưu điểm hơn so với pin lithium hiện tại về mật độ năng lượng, tuổi thọ pin, tuổi thọ chu kỳ sạc, độ ổn định của pin, độ an toàn và bảo vệ môi trường, nên chúng được coi là "một trong những loại pin năng lượng có khả năng giành chiến thắng nhất tại hiện tại". Nhiều điểm yếu của xe điện thuần túy có thể được giải quyết bằng pin thể rắn.
Về độ an toàn, pin hoàn toàn ở trạng thái rắn sử dụng chất điện phân ở trạng thái rắn thay vì chất điện phân ở dạng lỏng của pin lithium. Dưới góc độ tính chất hóa học của vật liệu, nó ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và không có hiện tượng "thoát nhiệt" và hiệu suất của nó ổn định hơn, tính bảo mật cao.
Về thời lượng pin, mật độ năng lượng của pin thể rắn gần gấp đôi so với pin lithium, mật độ năng lượng của pin Kirin đạt 255Wh/kg, có thể nói là một trong những loại pin lithium có mật độ năng lượng cao nhất tại giai đoạn hiện tại. Pin trạng thái rắn, mật độ năng lượng nói chung có thể đạt tới 300Wh/kg-400Wh/kg.
Điều này có nghĩa là phạm vi hành trình của pin thể rắn ít nhất gấp đôi so với pin lithium và phạm vi hành trình thực tế có thể dễ dàng vượt quá 1.000 km.
Tất nhiên, pin thể rắn vẫn có hai nhược điểm lớn: do trở kháng giao diện cao và độ dẫn điện của chất điện phân thể rắn thấp nên quá trình truyền năng lượng của pin không đủ ổn định và chi phí sản xuất pin cao, được cho là gấp 3-4 lần so với pin lithium.
Pin thể rắn tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng gặp không ít khó khăn hiện nay, ở giai đoạn hiện tại, pin thể rắn toàn phần vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển sản phẩm thử nghiệm trên toàn thế giới.
Vì lý do này, nhiều hãng xe đã chuyển hướng sang pin bán rắn, một mặt giảm độ khó kỹ thuật, mặt khác sẽ được thị trường chấp nhận cao hơn, một số hãng xe tuyên bố sẽ ra mắt pin bán rắn từ năm 2030.
Ở giai đoạn này, công nghệ pin bán rắn ngày càng hoàn thiện và một số công ty ô tô đã tuyên bố sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt, đây là một tin tuyệt vời cho các phương tiện năng lượng mới.
Theo người phụ trách Weilan Technology, loại pin bán rắn 150kwh đã bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt, mật độ năng lượng của loại pin bán rắn này đạt 360Wh/kg, vượt xa loại pin lithium bậc ba hiện tại, thời lượng pin có thể đạt tới 1100 km.
Tuy nhiên, pin bán rắn vẫn chứa khoảng 10% chất điện phân lỏng, tương tự như pin "thạch" và vẫn còn một khoảng cách nhất định với pin toàn thể rắn về độ an toàn, mật độ năng lượng, thời lượng pin và tuổi thọ.
Châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản đặt cược vào pin thể rắn
Công ty QuantumScape của Mỹ đã công bố những phát triển mới về pin thể rắn, với tuổi thọ pin tối đa là 2.000 km và sạc nhanh tới 80% chỉ trong 15 phút.Ngoài ra, Nissan trước đó cũng thông báo đã phát triển thành công loại pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, sẽ được sản xuất hàng loạt vào năm 2025, sạc trong 3 phút và tuổi thọ pin lên tới 1.000 km.
Ưu điểm toàn diện của pin bán rắn đã rất rõ ràng, một khi pin bán rắn có những đột phá về giá thành và công nghệ và bắt đầu sản xuất hàng loạt, đó chắc chắn sẽ là một phát kiến mang tính lịch sử đối với các phương tiện năng lượng mới.
Trên con đường phát triển phương tiện năng lượng mới, các công ty ô tô Trung Quốc đang dẫn đầu thế giới và các công ty Trung Quốc chiếm 6 trong số 10 công ty sản xuất pin năng lượng hàng đầu thế giới.
Nhưng chúng ta cũng phải thấy rằng trước những cơ hội do pin năng lượng mang lại, Châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản đang nỗ lực hết sức để phát triển các công nghệ mới và họ đều muốn nắm bắt cơ hội này và loại bỏ tình trạng "bị bỏ lại phía sau".
