Pin xe điện: Mảnh đất màu mỡ cho cải tiến và tối ưu
Dù xe điện đang được coi như một giải pháp giao thông thân thiện với môi trường với nhiều người trên thế giới và Việt Nam nhưng pin của xe điện có thực sự tin cậy? cách nào để tối ưu hóa nó?
Giao thông vận tải là lĩnh vực tạo ra nhiều khí thải nhất thế giới Theo thống kê của International Energy Agency (IEA), gần 30% khí nhà kính thải ra môi trường hằng ngày là từ các phương tiện giao thông vận tải (GTVT), từ xe máy, ô tô đến tàu biển, máy bay. Đây là khu vực kinh tế sản sinh nhiều khí thải nhất nên việc cắt giảm lượng khí thải từ các phương tiện GTVT có vai trò quan trọng, góp phần không nhỏ vào hoàn thành cam kết đưa khí thải về mức zero vào khoảng năm 2050.
Trong thực tế, đang có xu hướng thay dần xe động cơ đốt trong bằng xe điện (electric vehicle – EV), gồm cả xe ô tô chạy thuần bằng điện như xe Vinfast và xe lai dùng cả điện lẫn xăng như Hybrid của Toyota. IEA dự đoán, trên quy mô toàn cầu, số xe điện lăn bánh trên đường sẽ tăng nhanh từ 16,5 triệu chiếc vào năm 2021 lên 150 triệu chiếc vào năm 2030.
Điểm khác với xe động cơ đốt trong
Về cơ bản, các phương tiện GTVT động cơ đốt trong truyền thống dùng năng lượng từ đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (như xăng, dầu hay than). Khi cháy, các nhiên liệu này cho nhiều nhiệt năng, đồng thời thải ra nhiều khí CO2. Hiện nay người ta cho rằng cách duy nhất để cắt giảm lượng khí thải độc hại này là giảm dần và tiến tới loại bỏ nhiên liệu hóa thạch, thay bằng nhiên liệu sạch.
Nguồn cung cấp điện cho EV là bộ pin (battery), loại pin tái nạp (rechargeable battery), nghĩa là có thể nạp, dùng, rồi lại nạp, dùng … nhiều lần, mỗi lần như vậy được gọi là một chu kỳ (cycle). Mỗi bộ pin bao gồm nhiều pin nguyên tố (cell) nối mạch với nhau. Tính năng của pin được quyết định bởi tính năng của cell cấu thành, nên về mặt KH&CN, khi bàn về ‘battery’, thực ra người ta nói về ‘cell’.
Khoa học trong pin xe điện
Trừ số ít sản phẩm mang tính thử nghiệm, toàn bộ pin hiện có trên thị trường đều vẫn là loại truyền thống, hoạt động trên nguyên lý phản ứng ôxy hóa – khử. Cấu trúc nguyên tắc của cell rất đơn giản, bao gồm hai điện cực, cathode và anode, được nhúng trong một môi trường điện phân (electrolyte).
Nếu electrolyte là ở thể lỏng (Liquid Electrolyte – LE) thì ở giữa có thêm tấm điện môi phân tách (separator), ngăn không cho electron di chuyển giữa hai điện cực. Phản ứng ôxy hóa – khử xảy ra ở các điện cực khi nạp hay sử dụng pin. Dòng bên trong cell là dòng các ion kim loại, còn dòng mạch ngoài là dòng các electron. Tính năng của cell (và cũng là của pin) phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu dùng làm các điện cực và electrolyte.
Cho đến này, thống trị trên thị trường pin xe điện vẫn là loại Li-ion battery (LIB) – cái tên ‘Li-ion’ ngụ ý dòng giữa hai điện cực bên trong cell là dòng các Lithium ions (Li+). Pin LIB phổ cập nhất có cathode làm bằng Lithium Cobalt Oxide – LiCoO_2 (LCO), anode từ graphite (chì), và LE là muối lithium tan trong một dung môi hữu cơ. LIB có nhiều ưu điểm nổi trội (nên mới là ‘pin vua’ trong suốt mấy thập niên gần đây), nhưng cũng có hạn chế, nhất là khi dùng cho xe điện.
Tiêu chuẩn pin xe điện
Những đòi hỏi chính với pin xe điện là:
(1) Dung lượng điện lưu giữ được phải đủ lớn, trong khi bộ pin phải đủ nhỏ và nhẹ, ngụ ý mật độ năng lượng (Energy Density) phải cao, tính trên thể tích (Wh/l) cũng như trên khối lượng (Wh/kg); Dung lượng pin càng lớn quãng đường xe đi được với mỗi lần nạp càng dài;
(2) Công suất (power) đủ lớn (cần khi tăng, giảm tốc);
(3) Thời gian sống đủ dài, thời gian này tính bằng số cycle (pin cần ‘sống’ khỏe với khoảng 1000 cycles, ứng 10-15 năm – trọn một đời xe);
(4) Thời gian tái nạp phải đủ nhanh (tiến tới ngang bằng thời gian đổ xăng !);
(5) Làm việc tốt ở cả nhiệt độ khá cao và khá thấp (chẳng hạn, từ – 30 đến + 550C);
(6) Giá phải chăng, giá pin tính cho kWh, chẳng hạn giá là 100 USD/kWh thì một bộ pin có dung lượng 100 kWh sẽ có giá gốc 10.000 USD, mà với bộ pin như vậy thông thường xe chạy vài ngày mới phải nạp lại; và
(7) An toàn và hiệu quả.
Nói chung, các LIB truyền thống chưa đáp ứng đủ các đòi hỏi của pin xe điện, như mật độ năng lượng còn thấp, thời gian sống khá ngắn, thời gian tái nạp quá dài (tính bằng giờ), quá đắt (chủ yếu do vật liệu làm cathode, nhất là Cobalt rất hiếm và đắt), dễ cháy nổ (do LE hữu cơ), và độc hại (Co độc hại). Từ lâu người ta đã nỗ lực tìm kiếm vật liệu điện cực thích hợp để cải thiện các tính năng của LIB. Đi xa hơn, người ta còn thử nghiệm phát triển một số công nghệ pin không dùng Lithium, như pin Na-ion hay Zn-ion.
Tuy nhiên, thực tế cho thấy, việc thỏa mãn đồng thời tất cả các đòi hỏi với pin xe điện quá phức tạp nên khó khả thi và không hiệu quả về kinh tế. Bởi lẽ, thị trường xe rất đa dạng, khách hàng cũng vậy. Thế nên tốt hơn là tối ưu hóa việc phát triển pin theo hướng phục vụ từng dòng xe, từng loại khách hàng. Quan tâm chính của khách hàng thường là giá, quãng đường đi được cho một lần nạp (liên quan đến mật độ năng lượng), thời gian sống (số cycles), và thời gian tái nạp.
Dưới đây là ba loại pin đang được sử dụng rộng rãi nhất, ứng với các dòng xe khác nhau.
1/ Pin NMC. Để giảm phụ thuộc vào Cobalt đắt đỏ mà vẫn có mật độ năng lượng đủ cao người ta thay cathode LCO bằng loại cathode giàu Nickel (Ni), như Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC).
Chẳng hạn, bộ pin NMC532 chứa 8 kg Lithium carbonate, 35 kg Ni, 20 kg Mn, và 14 kg Co. Mục đích chính là để giảm lượng Cobalt, nhưng tiếc rằng Ni cũng khá đắt và gần đây tăng giá mạnh, nên giá thị trường hiện tại của pin NMC vẫn khá cao, ~130 USD/kWh. Bù lại, nhờ mật độ năng lượng cao (~ 200 Wh/kg), nên quãng đường xe đi được cho mỗi lần nạp là dài (có thể tới 500 km). Thời gian nạp khá nhanh (có thể chỉ 30 phút ở trạm nạp nhanh), ngay cả ở nhiệt độ khá thấp.
Có thể nói, loại pin NMC phù hợp cho xe chạy đường trường và khách hàng chịu chi. Hiện NMC vẫn đang là loại pin được dùng rộng rãi nhất, từ Nissan Leaf đến Tesla hay Mercedes-Benz EOS. Các hãng đang tích cực cải tiến công nghệ để giảm giá và kỳ vọng là đến 2030 giá pin NMC chỉ còn khoảng 78 USD/kWh. Cùng hàng với NMC có pin NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium), nhưng NCA ít phổ biến hơn (hiện chỉ còn dùng ở một số mẫu xe Tesla đời cũ).
2/ Pin LFP. Để giảm mạnh giá pin phải loại bỏ hẳn các kim loại đắt đỏ như Co và Ni. Đó là lý do ra đời loại pin có cathode làm bằng lithium-iron-phosphate (LFP), trong đó cả iron (ở đây viết là F) và phosphate (P) đều rất rẻ.
Loại pin này có mật độ năng lượng thấp hơn nhiều so với NMC, do đó, quãng đường xe đi được cho mỗi lần nạp cũng ngắn hơn; bù lại rẻ hơn nhiều, hiện tại chỉ là 90 USD/kWh, phù hợp với các loại xe và khách hàng tầm trung. Một ưu điểm nổi trội nữa của pin LFP là thời gian sống dài, tới 2000-3000 cycles, khoảng gấp đôi so với pin NMC, nhưng thời gian tái nạp lại lâu hơn.
Hiện tại, các hãng xe lớn đều quan tâm phát triển pin tầm trung LFP, mà phần lớn (tới 95 %) pin loại này trên thị trường toàn cầu là có xuất xứ Trung Quốc, ngay cả pin LFP của Tesla cũng sản xuất tại đây. Người ta đang cố gắng để có pin LFP rẻ hơn nữa, kỳ vọng đến 2030, giá của pin này sẽ chỉ còn khoảng 56 USD/kWh.
3/ Pin NIB. Vượt ra ngoài khuôn khổ của LIB, gần đây nhiều hãng xe, trong đó chủ yếu là Trung Quốc, đang phát triển loại pin giá rẻ, Na-ion battery (NIB), thay hoàn toàn Li bằng Na. So với LIB, pin NIB rẻ hơn nhiều (do Na rất nhiều và rẻ), an toàn và bền cơ học hơn.
Giá của pin NIB hiện tại chỉ 50 USD/kWh và có thể xuống nữa. Vì Li và Na có hóa tính gần nhau, nên việc phát triển công nghệ NIB cũng thuận lợi do có thể kế thừa trực tiếp công nghệ LIB có sẵn. Đổi lại, do kích thước nguyên tử và trong khối của Na lớn hơn của Li, nên mật độ năng lượng của NIB khá thấp so với LIB. Kết quả là, ngay theo quảng cáo với xe cấu trúc tối ưu (nhỏ nhẹ) nhất, quãng đường đi được cho một lần nạp của pin NIB chỉ khoảng 200-250 km.
Bởi thế NIB chỉ phù hợp cho loại xe nhỏ chạy trong phố, cho khách hàng bình dân. Một phần quan trọng nhờ pin rẻ, nên một số mẫu xe điện Trung Quốc (như Wuling Mini BEV) có tổng giá chỉ 5.000-6.000 USD (bao cả pin NIB). Xe giá rẻ phù hợp với số đông, nên mặc dù chất lượng hạn chế, pin NIB vẫn được dự đoán là sẽ chiếm khoảng 25% thị trường pin vào 2040..
Kỳ vọng pin thế hệ mới
Đây là những loại pin thuộc thế hệ mới, được kỳ vọng sẽ thương mại hóa trong vài năm tới.
Pin LAB và pin LSB. Đi tìm LIB với mật độ năng lượng cao vượt trội, hai loại cathode được nghiên cứu nhiều và hiện có nhiều triển vọng là Air cathode (dùng O2 từ không khí – air, làm vật liệu cathode) và Sulfur cathode. Hai loại pin tương ứng gọi là Lithium-Air Battery (LAB) và Lithium-Sulfur Battery (LSB). Với anode phù hợp các loại pin này có thể cho mật độ năng lượng rất cao: ~2,600 Wh/kg với LSB và ~ 11.680 Wh/kg với LAB (cao nhất trong tất cả các loại pin đã được biết đến). Với mật độ năng lượng cao như vậy các pin này được kỳ vọng phục vụ các dòng xe cao cấp với quãng đường đi cả 1000 km cho một lần nạp, thậm chí có thể dùng cho taxi bay (flying taxis). Lưu ý quan trọng là, để có được mật độ năng lượng cao như vậy, các cathode loại này đòi hỏi phải có vật liệu anode và electrolyte tương ứng.
Pin với Li-metal hay Si anode. Graphite không phù hợp để làm anode cặp đôi với các cathode có khả năng cho mật độ năng lượng cao (tính năng quan trọng nhất của pin). Vật liệu thay thế lý tưởng nhất là Li-metal (lithium kim loại). Điểm mạnh chính của Li-metal anode là khả năng cho mật độ năng lượng vượt trội. Tuy nhiên, các anode loại này có bất lợi không dễ khắc phục là nguy cơ cháy nổ cao.
Một ứng viên nhiều triển vọng khác, thay cho graphite, là Silicon (Si), có khả năng vừa tăng dung lượng riêng (tức lượng điện tích có thể giữ trong một đơn vị khối lượng) của anode vừa giảm giá thành của pin (vì Si rất nhiều và rẻ). Tuy nhiên, Si-anode không bền vững trong quá trình hoạt động của pin vì mức độ thay đổi thể tích của Si quá lớn (> 300 %). Tin vui là, đã có những thành công đáng kể trong khắc phục các khiếm khuyết và các LIB với anode bằng Li-metal hay Si rất có thể sẽ sớm xuất hiện trên thị trường.
Pin thể rắn. Tất cả các pin kể trên đều dùng LE. Chính LE với dung môi hữu cơ là nguyên nhân làm pin dễ bị cháy nổ. Quan trọng hơn, LE không trợ giúp các điện cực có khả năng cho mật độ năng lượng cao, như Air-cathode, S-cathode, hay Li-metal anode, nên đang là vật cản đối với những công nghệ pin tiên tiến.
Từ lâu người ta đã tìm cách thay LE bằng electrolyte thể rắn (Solid State Electrolyte – SSE). Với SSE, tất cả các bộ phận của pin đều ở thể rắn, và loại pin như thế có tên gọi là All Solid State Battery (ASSB) – để gọn ta gọi là pin thể rắn. So với pin dùng LE, các ASSB được kỳ vọng là có mật độ năng lượng cao vượt trội, công suất cao (nên nạp nhanh), an toàn tuyệt đối (không cháy nổ), bền cả về hóa-điện lẫn cơ học ngay cả ở nhiệt độ khá cao cũng như khá thấp.
Tất cả các viện nghiên cứu năng lượng và các hãng xe điện lớn đều đang tích cực phát triển ASSB. Khó khăn lớn nhất là phải tìm được SSE vừa có độ dẫn điện ion đủ cao (ít ra như LE) lại vừa tương thích tốt với các vật liệu điện cực có khả năng cho mật độ năng lượng cao.
Năm 2023, một nhóm ở Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Mỹ) công bố đã chế tạo thành công ASSB với Air-cathode có mật độ năng lượng 1.200 Wh/kg (gấp 4-5 lần của pin LCO-graphite).
Sau nhiều lần trì hoãn, mới đây Toyota tuyên bố là khoảng 2027-2028 sẽ đưa ra thị trường dòng xe dùng ASSB có thể chạy quãng đường 1000 km cho mỗi lần nạp và thời gian nạp chỉ 10 phút (ngang đổ xăng)! Nếu đúng vậy thì đây là cuộc cách mạng trong pin nói chung, và pin xe điện nói riêng.
***
Mặc dù trong thập niên 2010, giá xe điện trung bình đã giảm tới 87% nhưng hiện tại, xe điện vẫn quá đắt so với xe xăng cùng tính năng. Điểm nghẽn trong phát triển xe điện chính là pin. Các dòng pin hiện có chưa đạt yêu cầu bởi cần phải mạnh hơn, rẻ hơn, tiện dụng hơn. Do đó, mục tiêu là phải phát triển pin tiến tới có các tiêu chí ngang như xăng: cấp nhiều năng lượng như xăng, thời gian nạp ngang đổ xăng, giá thành (tính theo kWh) cũng như xăng.
Thị trường pin xe điện toàn cầu dự kiến sẽ tăng chóng mặt từ 132,6 tỷ USD năm 2023 lên 508,8 tỷ USD năm 2033. Thêm nữa, pin là nguồn nuôi không chỉ của xe điện mà còn của rất nhiều loại thiết bị điện tử không thể thiếu trong mọi lĩnh vực kinh tế và đời sống. Bởi vậy, pin là mảnh đất nghiên cứu cực màu mỡ và đầy tiềm năng cho những ai đam mê khoa học vật liệu.
Ngày nay, khoa học về pin chủ yếu là khoa học về vật liệu mới. Việc tìm kiếm vật liệu mới (cho các điện cực và electrolyte) có thể thực hiện hiệu quả trước hết bằng mô phỏng trên máy tính, một việc rất phù hợp và khả thi với các bạn trẻ. Tiếc là ở nước ta, mảnh đất này coi như còn bỏ trống.
GS. Nguyễn Văn Liễn
(Trung tâm Vật lý lý thuyết, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam)
