Pin - Nguồn năng lượng của tương lai cho ứng dụng xe hơi

Lịch sử ghi nhận vào năm 1800, cục pin (Pile) đầu tiên được sáng chế ra bởi Alessandro Volta, nhà bác học người Ý. Khi đó, cục pin được tạo ra từ việc kết hợp những cặp cực hình tròn của 2 kim loại đồng(Cu) và kẽm(Zn), xen kẽ là một lớp vải tẩm axit xitric. Và phải đến 60 năm sau, Gaston Plante mới sáng chế ra loại ắc quy điện (accumulator pin) đầu tiên có khả năng sạc. Qua đây, chúng ta có thể thấy ngay điểm khác nhau giữa pin và ắc quy, đó là pin không cho phép người sử dụng sạc lại để tiếp tục sử dụng, điều mà ắc quy có thể thực hiện được. Mẫu sáng chế khi đó của Plante bao gồm 2 lá đồng ngăn cách bởi một lớp vải lanh được ngâm trong dung dịch axit sulfuric (H2SO4).

Miêu tả sơ đồ pin do Allessandro Volta chế tạo vào năm 1800

Miêu tả cục pin đầu tiên có khả năng sạc do Gaston Planté sáng chế vào năm 1860

Sau đó 20 năm, vào năm 1880, Camille Faure đã nghĩ ra việc phủ lên các cực một lớp oxit đồng, tạo ra loại ắc quy mà có rất nhiều điểm tương đồng với loại ắc quy chúng ta vẫn sử dụng ngày nay. Và Henri Tudor, một thương nhân người Luxembourg là người đầu tiên phát triển việc kinh doanh nguồn năng lượng này.

Sự ra đời của ắc quy axit chì (Acid Plomb) giúp ngành công nghiệp ôtô giải quyết được vấn đề cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện trên xe : sưởi, hệ thống đèn, v.v…(không cần có sự hoạt động của động cơ). Nhưng với những giới hạn kỹ thuật của nó, ắc quy chì không thể là sự lựa chọn cho việc chuyển mình của ngành công nghiệp ôtô sang những công nghệ tiên tiến hơn sử dụng năng lượng điện. Đối mặt với những đòi hỏi cấp bách đó, hàng loạt dự án về 1 công nghệ ắc quy mới đã được nghiên cứu và phát triển, tạo bàn đạp cho sự ra đời của hàng loạt dòng xe không ô nhiễm như xe lai (HEV) và xe điện (EV).

Cấu tạo của ắc quy axit chì sử dụng trên ôtô

Trước khi đạt được thành tựu tạm coi là đỉnh cao hiện nay với ắc quy lithium ion (Li-ion), các loại pin và ắc quy khác cũng đã có những đóng góp nhất định trong lịch sử phát triển của ngành này. Ví dụ như : mẫu Honda EV Plus, hay chiếc Lunar Rover của NASA, v.v..

Chiếc Lunar Rover dùng để di chuyển trên mặt trăng trong nhiệm vụ Apollo 15 của NASA với các bánh xe được gắn động cơ điện

Quay lại với ắc quy Li-ion. Việc đưa vào sử dụng lithium trong công nghệ chế tạo ắc quy đã xuất hiện từ những năm 1910. Trong suốt thế kỷ 20, rất nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhưng không cho ra được những kết quả thực sự khả quan. Trong những năm 1980, ắc quy sử dụng kim loại lithium vẫn còn rất nhiều thiếu sót về mặt kỹ thuật như vấn đề an toàn, vấn đề lão hóa khi dung tích thuyên giảm nhanh chóng với chu trình sạc/xả liên tục. Tất cả khiến việc sử dụng và phát triển trên quy mô công nghiệp là vô cùng khó khăn.

Đến tận năm 1991, sau sự ra đời của 3 phát minh nổi bật trong công cuộc làm chủ công nghệ ắc quy li-ion, Sony mới thành công trong việc cho ra đời mẫu ắc quy li-ion đầu tiên cung cấp cho máy ảnh. 3 phát minh giúp con người tạo bước đột phá trong công nghệ ắc quy Li-ion đó là :

Vào năm 1976, một nhà sáng chế người Mỹ Stanley Whittingham đã cho ra đời khái niệm mới về điện cực âm : là điện cực có cấu trúc tinh thể về cơ bản không có chứa ion Li và do đó cho phép ion Li di chuyển từ điện cực dương được lưu giữ trong mạng lưới tinh thể (quá trình này về sau được gọi là quá trình sạc). Vật liệu được dùng vào thời kỳ đó là TiS2.

Điện cực âm được thay thế bằng vật liệu graphite (than chì) thay vì kim loại lithium nhờ lợi thế về giá cả và trữ lượng của tài nguyên này. Ý tưởng được khởi xướng bởi giáo sư người Pháp Michel Armand, sau đó đồng hương của ông, nhà nghiên cứu Rachid Yazami là người đầu tiên thành công trong việc đưa các ion lithium ra/vào cấu trúc tinh thể graphite. Qua đó đặt những bước đi đầu tiên cho việc sử dụng graphite rộng rãi sau này.

Thành tựu của giáo sư người Mỹ John Goodenough trong việc sử dụng hỗn hợp lithium và oxit cô-ban nhằm tạo ra điện cực dương. Ông cũng chính là người đóng vai trò hết sức quan trọng trong lịch sử phát triển của ắc quy Li-ion với việc đỡ đầu cho nhiều công trình nghiên cứu mang tính bước ngoặt như việc phát minh ra hỗn hợp NMC, LMO là các nguyên liệu khác có thể tạo ra điện cực dương.

Kể từ đấy, ắc quy Li-ion đóng vai trò ngày càng quan trọng trong mọi lĩnh vực từ đời sống (máy ảnh, máy tính xách tay,…) đến quốc phòng và không gian (A350, F35 Lightning, Galileo,…), cho đến bây giờ là ứng dụng trong công nghệ sản xuất ôtô chạy điện.

Như vậy, kỹ thuật ắc quy Li-ion là một công nghệ còn rất mới, với tuổi đời khoảng hơn 20 năm nghiên cứu và phát triển. Đây là một công nghệ vẫn còn ẩn chứa rất nhiều tiềm năng cũng như vấn đề mà giới nghiên cứu vẫn chưa hoàn toàn làm chủ được hết. Do đó, trong tương lai, đây vẫn sẽ là một hướng nghiên cứu và phát triển đầy hứa hẹn cho việc tạo ra một nguồn năng lượng dồi dào giúp thu ngắn khoảng cách với các loại nhiên liệu thô như xăng, dầu diesel.

Vai trò pin & ắc quy đối với ngành sản xuất ôtô

Cho đến tận bây giờ, được biết đến nhiều nhất trên xe ôtô có lẽ vẫn là ắc quy axít chì. Đây là bình ắc quy 12V/14V được trang bị dưới nắp capô của xe. Nhiệm vụ chính của bình ắc quy này là cung cấp năng lượng ban đầu để khởi động động cơ xe thông qua một động cơ điện (Starter). Ngoài ra, như đã nói ở trên bình ắc quy còn có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện trên xe ví dụ như hệ thống điện, điện tử, duy trì các thiết bị ở chế độ chờ khi xe dừng. Ắc quy axit chì xuất hiện trên hầu hết các loại xe bởi giá thành rẻ và dễ chế tạo của nó.

Tuy nhiên, vì một số hạn chế trong hiệu năng mà tính ứng dụng của ắc quy chì không cao, không có khả năng đáp ứng được những yêu cầu ngày càng cao của các thế hệ xe mới ngày nay. Ví dụ như ắc quy chì chỉ có thể đáp ứng được yêu cầu về công suất và năng lượng ở các dòng xe lai cấp độ micro (micro-hybrid) khi có thể tham gia hỗ trợ động cơ xăng ở một số thời điểm xe tăng tốc, hoặc có thể hấp thụ năng lượng khi xe phanh giảm tốc. (Để tìm hiểu các cấp độ lai của xe hybrid tại đây).

Để có thể nâng cao hiệu năng hoạt động của các thế hệ xe lai (HEV) và xe điện (EV) mới, các kỹ sư đang dần chuyển sang kết hợp ắc quy chì với ắc quy lithium hay thậm chí chuyển hẳn sang ắc quy lithium.

Pin lithium-ion nguyên khối 400V sử dụng trên xe ôtô điện

Đối với một chiếc xe sử dụng năng lượng điện, ắc quy đóng một vai trò then chốt trong việc vận hành của nó, đó chính là trái tim của chiếc xe. Với nguồn pin dồi dào, chiếc xe có thể đi được xa hơn, đảm bảo các tính năng vận hành tốt hơn giúp người lái đạt được cảm giác thoải mái hơn.

Có thể khẳng định, trong tương lai, công nghệ sản xuất pin chính là chìa khoá mà bất cứ hãng xe nào cũng muốn sở hữu để có thể chinh phục thị trường xe năng lượng sạch. Qua đó có thể thấy được vai trò ngày càng quan trọng của pin trong ngành công nghiệp ôtô.

Ở biểu đồ Ragone bên dưới, các công nghệ sản xuất ắc quy được so sánh dựa theo chỉ số năng lượng theo thể tích (Wh/l) hoặc theo khối lượng (Wh/kg). Có thể thấy hiện nay, công nghệ Li-ion đang tỏ ra chiếm ưu thế so với các công nghệ trước đây như axit chì (lead acid), Ni-Cd (Nickel cadium). Các nghiên cứu về Lithium phosphate và Lithium polymer cũng đang được tiến hành nhằm nâng cao các chỉ số Wh/l, Wh/kg.

Biểu đồ Ragone về công nghệ sản xuất ắc quy

Để dễ hiểu, chúng ta biết rằng, cho đến ngày nay, vấn đề lớn nhất cản trở việc bùng phát doanh số bán của các dòng xe điện chính là việc chúng ta mất quá nhiều thời gian để sạc pin để đổi lại một quãng đường di chuyển quá ngắn nếu đem so sánh với xe chạy xăng, và đó cũng là lý do giải thích cho sự biến mất của xe điện trên đường phố vào những năm 1920-1960. (Ta có 1 chiếc xe điện mất khoảng 6-8h cho việc sạc đầy pin hoặc 30′ cho 1 lần sạc ở trạm sạc nhanh. Và 1 lần sạc, tùy từng loại xe mà chúng ta có thể chạy được từ 120-300km, đó là 1 con số khá khiêm tốn với 5′ đổ đầy bình xăng cho 1 quãng đường khoảng 1000km).

Qua đó, chúng ta có thể thấy được tầm quan trọng của việc cải thiện khả năng của pin giúp san bằng khoảng cách giữa xe điện và xe xăng. Và để làm được điều này, các nhà nghiên cứu ở khắp mọi nơi trên thế giới đang đầu tư nghiên cứu nhằm tìm ra một giải pháp, kỹ thuật mới trong việc sản xuất pin để có thể làm ra một loại pin mới đáp ứng được những đòi hỏi trong kỷ nguyên của năng lượng sạch.