Pin xe điện đang được cải thiện như thế nào từ vật liệu, mật độ năng lượng và giá cả
Nguồn Catl Batery
Kỷ nguyên xe điện đang bùng nổ khắp nơi trên thế giới vì tất cả các nhà khoa học cho tới các chính trị gia đều tin rằng nó có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon liên quan đến giao thông cộng thêm sự ra đời của pin lithium-ion đã tiếp thêm sức mạnh cho việc áp dụng chúng – theo cả nghĩa đen và nghĩa bóng.
Chìa khóa để áp dụng hàng loạt là giảm giá thành và điều đó có nghĩa là cần phải cải tiến về vật liệu và mật độ năng lượng. Nhưng nó đã đi được một chặng đường dài.
Những nỗ lực đầu tiên vào những năm 1970 của Exxon nhằm sử dụng kim loại lithium trong các cực dương đã bị ném ra ngoài cửa sổ vì còn một số vấn đề kỹ thuật chưa được giải quyết mỗi khi pin được sạc và xả liên tục dễ gây ra hỏa hoạn.
Sir John Goodenough đã phát hiện ra rằng bằng cách sử dụng cực âm làm bằng coban, pin trở nên an toàn hơn (ít nguy cơ cháy hơn) và có thể tích trữ nhiều năng lượng hơn. Nhà khoa học Maroc Rachid Yazami đã phát hiện ra rằng sử dụng than chì trong pin cực dương cũng sẽ kéo dài tuổi thọ hơn.
Những khám phá này cho phép Sony thương mại hóa pin lithium -ion vào những năm 1990, nhưng coban, nguyên liệu quan trọng cần thiết để tạo ra số lượng chu kỳ sạc và xả cao dẫn đến chi phí pin rất đắt – nó chỉ phù hợp với các thiết bị có thể sạc lại nhỏ nhưng quá đắt đối với các ứng dụng lớn hơn như ô tô điện .
Đối mặt với chi phí sản xuất cao (pin vẫn còn hơn 1.000 USD/kWh để sản xuất vào năm 2010), các nhà sản xuất ô tô chỉ bắt đầu sử dụng pin lithium-ion cách đây chưa đầy một thập kỷ, khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể thay thế coban bằng loại nguyên vật liệu khác rẻ hơn
Giá pin đã được ghi nhận ở mức dưới 100 USD / kWh trong một số xe buýt điện ở Trung Quốc, nhưng vẫn chưa giảm xuống ở mức kỳ vọng để có thể cạnh tranh với xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Điều đó dự kiến xảy ra vào khoảng năm 2023.
Bí quyết thành công cuối cùng của xe điện sẽ phụ thuộc vào việc tiếp tục cải tiến pin lithium-ion, khi các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất nỗ lực giảm giá thành.
Liên quan đến điều này là mật độ năng lượng của pin ngày càng tăng, do đó cần ít vật liệu hơn để đạt được cùng một kích thước pin – hoặc để đóng gói cùng một lượng pin và xe chạy được khoảng cách xa hơn.
Giảm lượng vật liệu đắt tiền trong pin bất kể sự thay đổi mật độ năng lượng cũng là một mục tiêu.
Mục tiêu là giảm vật liệu đắt tiền để chế tạo pin và tăng mật độ năng lượng của pin, đó quả là một tham vọng nhưng nó sắp trở thành hiện thực.
Một loạt các đồ họa thông tin mới từ Bloomberg Green phác thảo sự phát triển của pin trong thập kỷ qua.
Pin NMC (Nikel, Manganese, Cobalt)
Pin NMC 2012 đã được sử dụng trong các mẫu xe điện đời đầu như Renault Zoe. Coban được thay thế bằng mangan và niken, đạt được mật độ năng lượng 490Wh / lít theo Bloomberg Green.
Đến năm 2019, hóa học NMC đã được điều chỉnh để các cực dương và cực âm có thể dày hơn và sử dụng ít coban hơn và nhiều niken hơn. Hóa chất này đã được sử dụng trong chiếc xe Nio ES6, và có mật độ năng lượng là 737Wh / lít.
SOURCE: BLOOMBERG GREEN
Pin NCA (Nikel, Cobalt, Aluminium)
Cùng thời điểm NMC 2012 đến, Tesla và Panasonic bắt đầu sử dụng nhôm thay vì mangan. Pin NCA ra đời, và theo Bloomberg Green cải tiến này đã gặt hái được kết quả mỹ mãn vì nó rẻ hơn mangan, có mật độ năng lượng 688Wh / lít.
SOURCE: BLOOMBERG GREEN
Đến năm 2019, Tesla đã phát hiện ra rằng việc bổ sung một ít oxit silic sẽ có nghĩa là cần ít than chì hơn. Phần thưởng của khám phá này là nó làm cho pin nhẹ hơn, do đó cũng tăng phạm vi hoạt động của xe. Đây là tính chất hóa học đã cho phép Model 3 trở thành mẫu xe điện giá cả phải chăng nhất của Tesla … cho đến khi pin lithium-iron phosphate ra đời.
SOURCE: BLOOMBERG GREEN
Pin LFP (Lihium – iron phosphate)
Pin lithium-iron phosphate (LFP) loại bỏ hoàn toàn coban. Nó được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2010 và mặc dù mật độ năng lượng của nó tương đối thấp hơn so với tất cả các tùy chọn khác ở mức 299Wh / lít, vì nó sử dụng sắt (Fe) rẻ tiền nên nó đã trở thành một lựa chọn hợp lý cho các ứng dụng lớn như xe buýt.
SOURCE: BLOOMBERG GREEN
Một thập kỷ sau đó và hóa học LFP đã được cải thiện đến mức hoàn hảo, nhờ vào các điện cực dày hơn, nó hiện được sử dụng trong Model 3 do The Shanghaisản xuất, loại pin LFP này có mật độ năng lượng là 359Wh / lít.
Cái gì tiếp theo?
Pin ngày nay vẫn tiếp tục được cải tiến, mặc dù ít có đột phá hơn ba thập kỷ trước. Pin thể rắn (solid state battery) hứa hẹn có mật độ năng lượng cao hơn nhiều và cũng là một dạng pin sạc an toàn hơn nhiều. Bằng cách thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn, giả thuyết cho rằng sự hình thành dendrite (sợi nhánh) sẽ bị triệt tiêu.
Nhiều công ty cho biết họ đang làm việc để sản xuất “pin trạng thái rắn”, chẳng hạn như CATL của Trung Quốc, Toyota của Nhật Bản và công ty SK Innovation của Hàn Quốc, đang làm việc với Goodenough.
Một số người nói rằng họ đã giải được các câu đố quan trọng, chẳng hạn như một công ty có tên Quantumscape được hỗ trợ bởi Volkswagen và Samsung .
Bloomberg Green cho biết đến năm 2025, mật độ năng lượng vi phạm 1044WEh / lít có thể đạt được, mở rộng phạm vi lên tới 50%.
(LITHACO Tổng hợp)
