Bước tiến công nghệ giúp xe điện đạt tầm 500 dặm- Không cần cục dương
Pin lithium-ion có thể có ít bộ phận hơn động cơ đốt trong, nhưng không kém phần phức tạp. Nó liên quan đến sự tương tác phức tạp của các vật liệu, ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động, tốc độ sạc, hiệu suất và tuổi thọ của xe điện. Các nhà sản xuất pin đang chạy đua để tối ưu hóa tất cả những yếu tố trên, với các công nghệ hóa học có thể giảm thiểu những đánh đổi. Một trong những ứng cử viên đầy triển vọng là pin lithium-metal thể rắn không có cực dương.
Ít nhất một giám đốc điều hành pin tin rằng công nghệ này sẽ tạo ra một "chiếc xe không thỏa hiệp" thực sự, với phạm vi hoạt động, thời gian sạc, độ an toàn và tuổi thọ đều ấn tượng. Nghe có vẻ tuyệt vời trên lý thuyết, nhưng để công nghệ này thực sự được ứng dụng từ phòng thí nghiệm vào những chiếc xe điện mà khách hàng có thể mua, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết.
Tim Holme, đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của công ty khởi nghiệp về pin QuantumScape, chia sẻ với InsideEVs rằng: "Nếu bạn muốn tạo ra bước thay đổi lớn về chi phí, năng lượng trên khối lượng và năng lượng trên thể tích, thì thay đổi lớn nhất bạn có thể thực hiện là loại bỏ cực dương " .
Các thành phần chính trong pin lithium-ion truyền thống bao gồm cực dương, chất điện phân, lớp ngăn cách và cực âm. Tất cả chúng hoạt động cùng nhau để vận chuyển electron giữa các chu kỳ sạc và xả của xe điện. Cực dương được cho là một trong những bộ phận bẩn nhất, xét về cả tác động môi trường lẫn độ phức tạp trong sản xuất.
Pin thường được làm từ than chì - một vật liệu ổn định, bền lâu nhưng lại hạn chế khả năng sạc nhanh và mật độ năng lượng. Việc xử lý than chì đòi hỏi dung môi độc hại, và Trung Quốc kiểm soát phần lớn chuỗi cung ứng. Theo QuantumScape, chúng ta cũng đang thấy việc sử dụng silicon nhiều hơn trong anode , nhưng loại này đắt đỏ và tuổi thọ pin cũng như độ ổn định của chúng không phải là tốt nhất. Các công ty đang nghiên cứu công nghệ này cho biết họ đang cải thiện độ ổn định và độ bền lâu dài.
Cực dương cũng là một phần lý do khiến pin xe điện nặng như vậy. Holme giải thích rằng cực dương bao gồm một lớp carbon dày và chiếm rất nhiều thể tích và khối lượng trong một cell pin. Quá trình xử lý và sản xuất cực dương cũng tiêu tốn nhiều năng lượng, thải ra lượng khí thải CO2 đáng kể.
Bước tiến mới cho pin lithium giúp xe điện chạy đc 500 dặm Hiện nay, QuantumScape là một trong số ít các công ty khởi nghiệp về pin đang cố gắng từ bỏ phương pháp tích hợp cực dương truyền thống. Các công ty khác bao gồm Factorial, Our Next Energy và Ensurge Micropower, những công ty cũng đang phát triển các phiên bản pin không có cực dương của riêng họ.
QuantumScape đang phát triển một loại pin lithium-metal, trong đó cực dương có thể được tạo hình "tại chỗ". Cực dương được tạo ra trực tiếp bên trong pin thay vì được lắp vào như một thành phần riêng biệt. Điều này rất quan trọng vì thông thường pin lithium-ion sử dụng cực dương định hình sẵn, thường được làm bằng than chì và/hoặc silicon. Pin lithium-metal có thể bắt đầu chỉ với cực âm, chất điện phân và lớp ngăn cách.
Trong lần sạc đầu tiên, các ion lithium lắng đọng trên bộ thu dòng điện, tạo thành cực dương kim loại lithium. Điều này giúp đơn giản hóa việc sản xuất, giảm chi phí và cải thiện mật độ năng lượng. QuantumScape tuyên bố một chiếc xe điện với phạm vi hoạt động 563 km khi sử dụng cell pin thông thường có thể chạy được 640-800 km khi sử dụng cell pin kim loại lithium thể rắn. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thảo luận trong phần về mật độ, sự so sánh này dường như không phải là với những loại pin lithium-ion đặc nhất hiện nay.
"Pin kim loại lithium là cực dương tốt nhất. Nó tốt hơn than chì và silicon", Holme nói. "Pin thể rắn kết hợp với kim loại lithium tạo nên loại pin tốt nhất. Không có sự đánh đổi về mặt kỹ thuật nào cả. Nhưng đó là một thách thức về mặt kỹ thuật", ông nói thêm. Một trong những thách thức đó bao gồm việc ngăn chặn sự phát triển của dendrite, một cấu trúc kim loại sắc nhọn có thể phát triển bên trong pin và làm hỏng pin.
Daniel Parr, một nhà phân tích công nghệ tại công ty nghiên cứu IDTechEx có trụ sở tại Anh đã viết trong một lưu ý rằng pin kim loại lithium trước đây gặp nhiều thách thức trong việc phát triển do vấn đề này, vì sự hình thành dendrite khiến pin bị suy giảm sớm và hạn chế tuổi thọ chu kỳ.
Giải pháp của QuantumScape cho vấn đề này là một bộ tách thể rắn độc quyền được làm từ gốm, giúp ngăn ngừa sự hình thành các dendrite, công ty tuyên bố. Chất điện phân được làm từ chất lỏng hữu cơ, trong khi cực âm có thể được chế tạo bằng niken, sắt hoặc cả hai, Holme cho biết.
“Sắt tất nhiên rẻ hơn, nhưng mật độ năng lượng thấp hơn, còn niken thì mật độ năng lượng cao hơn, nhưng đắt hơn,” Holme nói. “Kế hoạch của chúng tôi là cung cấp cả hai nền tảng cho khách hàng và để họ lựa chọn.”
Pin QSE-5 của công ty khởi nghiệp này sử dụng công nghệ hóa học mới lạ này. Hai chữ cái đầu tiên đại diện cho công ty, “E” là viết tắt của năng lượng và con số này biểu thị dung lượng năm miliampe-giờ, tương tự như dung lượng của pin Tesla 2170 được sử dụng trong một số phiên bản của Model Y, cùng nhiều sản phẩm khác.
Pin QSE-5 có mật độ năng lượng là 305 watt-giờ trên kilogam, dường như chỉ nhỉnh hơn một chút so với pin 4680 NMC của Tesla được sử dụng trong Cybertruck và Model Y. Pin 4680 được ước tính có mật độ năng lượng là 272-296 wh/kg. Pin Solstice thể rắn hoàn toàn của Factorial được cho là cung cấp mật độ năng lượng là 450 wh/kg. Vì vậy, đối với một loại pin thể rắn đang trong giai đoạn thử nghiệm, mật độ của QSE-5 nằm ở mức thấp.
Tuy nhiên, công ty khởi nghiệp này khẳng định những lợi ích mang lại là rất đáng chú ý. Tuổi thọ được cải thiện nhờ loại bỏ hiện tượng “giảm dung lượng” do phản ứng hóa học giữa cực dương và chất điện phân. Độ an toàn cũng được cải thiện nhờ bộ tách gốm được khẳng định là không cháy và ổn định ngay cả dưới tải nhiệt độ khắc nghiệt.
Trong trường hợp xảy ra va chạm, xe điện sử dụng loại pin này ít có khả năng phát nổ hơn. ( Về mặt thống kê, cháy xe điện hiếm khi xảy ra hơn so với xe chạy bằng xăng, nhưng trong những trường hợp hiếm hoi xảy ra, chúng rất khó dập tắt.)
QuantumScape đã gửi "mẫu B" của loại pin mới đến các nhà sản xuất ô tô để thử nghiệm và dự kiến sẽ gửi thêm trong năm nay. Mẫu B là nguyên mẫu pin gần hoàn thiện, được sử dụng cho các thử nghiệm nâng cao hơn, chẳng hạn như xác thực hiệu suất, đánh giá an toàn và tích hợp vào xe điện và xe nâng điện
Một trong những khách hàng của QuantumScape là PowerCo SE, một công ty con sản xuất pin thuộc sở hữu hoàn toàn của Tập đoàn Volkswagen. "Chúng tôi đã cấp phép cho họ công nghệ này và đang hợp tác để triển khai", Holmes nói. "Họ đang xây dựng các nhà máy khổng lồ ở Tây Ban Nha, Đức và Canada, và chúng tôi sẽ hợp tác với họ để đưa công nghệ này vào sản xuất."
Theo thỏa thuận cấp phép không độc quyền , PowerCo có thể sản xuất tới 40 gigawatt giờ pin bằng công nghệ của QuantumScape, với tùy chọn mở rộng lên 80 gWh, đủ để sản xuất 1 triệu xe điện mỗi năm.
Khi được hỏi về chi phí liên quan so với pin lithium-ion hiện tại, Holmes đã so sánh sự phát triển của pin thể rắn với sự gián đoạn của SpaceX trong ngành công nghiệp tên lửa.
“Nếu so sánh tên lửa SpaceX đầu tiên với những gì NASA đã làm lúc bấy giờ, nó sẽ không cạnh tranh về mặt chi phí,” ông nói. “Khi được cải tiến, chi phí của SpaceX đã giảm xuống hàng chục lần so với mức mà NASA đang vận hành.”
Bản dịch: Nó sẽ đắt hơn pin thông thường, ít nhất là lúc đầu.
Ông nói thêm: “Nếu chúng ta cũng bắt đầu học hỏi, tăng sản lượng, giảm chi phí, chúng ta có thể cạnh tranh và thậm chí đánh bại lithium-ion kịp thời”.
