[Kỹ thuật – Tìm hiểu] Khái quát về battery trang bị trên ôtô (part 2)

Trong số thứ 2 của loạt bài “Khái quát về battery trang bị trên ôtô”, Từ điển xe sẽ mang đến các bạn cái nhìn chi tiết hơn về từng công nghệ battery phổ biến ngày nay. Ngoài ra, công nghệ battery được quan tâm nhất ngày nay Lithium ion (Li-ion) cũng được đi sâu chi tiết để làm rõ nguyên lý hoạt động.

Hiện nay, ngành công nghiệp ôtô ghi nhận một số kỹ thuật pin phù hợp với những đòi hỏi khác nhau của các hãng xe ôtô. Chúng ta có thể kể đến ở đây một vài dòng pin phổ biến :

1/ Pin axít chì : được ra đời vào năm 1859, có thể coi đây là kỹ thuật pin lâu đời nhất được dùng cho tới tận ngày nay. Về nguyên lý hoạt động cơ bản, nó không khác nhiều so với mẫu pin đầu tiên được phát minh bởi Volta vào năm 1800. Pin ax ít chì được sử dụng rộng rãi vào thế kỷ 20 bởi giá thành rẻ, có tuổi thọ lâu, công suất lớn. Tuy nhiên, pin chì ngày nay, do những giới hạn của nó, không đáp ứng được những đòi hỏi cao về năng lượng và công suất cho hoạt động của xe ôtô nói chung và ôtô điện nói riêng nhưng nó vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho hoạt động của dòng 12/14V trên xe ôtô (bao gồm các thiết bị điện, điện tử trên xe, v.v…). Nhưng trong tương lai, có lẽ ngày cả vị trí này cũng sẽ bị thay thế bởi những kỹ thuật pin mới hơn.

Cấu tạo của ắc quy axit chì sử dụng trên ôtô
Cấu tạo của ắc quy axit chì sử dụng trên ôtô

2/ Pin Nickel-Cadium : được ra đời vào năm 1899 bởi nhà khoa học Thụy Điển Waldemar Junger. Có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp cũng như sản xuất ôtô vào nửa cuối thế kỷ 20 (1950-1990). Battery có cấu tạo bao gồm cực âm sử dụng kim loại Cadium, cực dương là hợp chất oxy-hydrôxít của Nickel (NiO(OH)) cùng dung môi KOH. So với battery axít chì thì battery Ni-Cd có hiệu năng tốt hơn do đó đã bước đầu được áp dụng trong ngành công nghiệp ôtô. Cụ thể, battery được trang bị trên 1 số mẫu xe như : Peugeot 106, Renault Kangoo, Citroen Saxo. Tuy vậy, dung tích của battery Ni-Cd chưa đủ lớn, chỉ cho phép xe chạy xấp xỉ 100km sau 1 lần sạc. Cùng với đó, battery Ni-Cd rất dễ bị “chai” (memory effect) : nếu người dùng thực hiện quy trình sạc-xả liên tục trong khoảng 20-80% dung tích thực của battery thì sau 1 thời gian, battery sẽ bị mất vĩnh viễn dung tích trong khoảng 0-20% và 80-100%, người dùng sẽ chỉ có thể sử dụng được 60% dung tích thực của battery. Chưa kể kim loại Cadium mà kim loại năng đã được chứng minh có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe của con người cũng như môi trường.

Cấu tạo của pin Ni-Cd
Cấu tạo của pin Ni-Cd

3/ Pin Ni-MH : ra đời vào năm 1989 và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ năm 1990 nhằm thay thế cho battery Ni-Cd trong hầu hết ứng dụng. So với battery Ni-Cd thì Ni-MH bớt ô nhiễm hơn do loại bỏ được kim loại nặng Cadium, thêm nữa khó bị “chai” hơn. Công nghệ Ni-MH cho phép có được 1 tỷ trọng năng lượng cao hơn Ni-Cd ( 55-70Wh/kg so với 40-60Wh/kg). Mức tỷ trọng này, cùng với tuổi thọ ngắn (1000 chu kỳ sạc-xả) vẫn là không đủ trong những ứng dụng xe 100% chạy điện. Tuy nhiên, nếu chỉ đóng vai trò nguồn cung cấp năng lượng phụ thì công nghệ Ni-MH lại rất hợp lý trong những ứng dụng xe lai không sạc HEV. Đặc biệt sau thành công của mẫu xe lai Hybrid huyền thoại Toyota Prius, nó đã trở thành sự lựa chọn số 1 của các hãng xe trong các dự án chế tạo xe Hybrid (2 triệu xe được trang bị công nghệ Ni-MH). .  Ở cục dương của battery, ta có  hợp chất Nickel dihydroxít (Ni(OH)2) . Ở cực âm là hợp chất kim loại MHx, trong đó M có thể là một hợp chất kim loại có dạng AB5 ví dụ như LaNi5 (LaNi5Hx). Dung môi sử dụng vẫn là KOH.

Battery Ni-Mh trang bị trên HEV Prius II của Toyota
Battery Ni-Mh trang bị trên HEV Prius II của Toyota

4/ Pin Lithium-ion : bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1980, sau đó, được chính thức bán ra thị trường vào năm 1991 bởi SONY tren các sản phẩm mấy ảnh của hãng. Đây là dòng pin phổ biến nhất hiện nay và có nhiều tiềm năng nhất trong việc đáp ứng những đòi hỏi cao hơn của những ứng dụng trong giao thông. Đây cũng là loại pin được trang bị trên hầu hết mọi mẫu xe điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho động cơ điện và thường hoạt động ở điện thế 400V. Về cấu tạo, battery Li-ion cũng bao gồm 2 cực điện thế âm, dương được đặt trong dung môi dưới dạng lỏng. Nguyên lý hoạt động của pin dựa trên phản ứng oxy hóa khử giữa 2 điện cực của battery. Để đạt được hiệu năng cao là cả một sự thách thức khi với mỗi một hợp chất kim loại khác nhau ở cực âm và cực dương, chưa kể ảnh hưởng của dung môi, lại có những hiện tượng khác nhau xảy ra mà không tuân theo bất kỳ quy luật nào. Đó là lý do mà vì sao cho đến tận bây giờ, tuy đã trải qua hơn 30 năm nghiên cứu và phát triển nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thực sự hiểu được tường tận nguyên lý hoạt động và toàn bộ quá trình xảy ra phản ứng của battery Li-ion. Tuy vậy, các nhà khoa học cũng đã tìm ra được một số tổ hợp cho ra những kết quả khả quan bước đầu đủ để ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Cực dương thường được chọn trong số những hợp chất sau : LiCoO2 (LCO), Li(NiCoAl)O2 (NCA), Li(NiMnCo)O2 (NMC), LiMn2O4 (LMO), LiFePO4 (LFP). Cực âm thì hiện nay phổ biến 2 hợp chất gồm : Graphít (C) và Li4Ti5O12 (LTO).

Battery Li-ion trang bị trên xe EV Zoe của Renault
Battery Li-ion trang bị trên xe EV Zoe của Renault

 

Các hợp chất có thể được dùng làm các cặp điện cực của battery Li-ion
So sánh các hợp chất có thể được dùng làm các cặp điện cực của battery Li-ion

5/ Pin Lithium Metal Polyme : các nghiên cứu đầu tiên diễn ra vào những năm 1980 bởi công ty HydroQuébec (Canada) sau đó được tiếp tục bởi tập đoàn Bolloré (Pháp). Hiện tại, đây vẫn là tập đoàn duy nhất sử dụng công nghệ này để trang bị cho xe ôtô điện của mình. Đây cũng là tập đoàn cung cấp hệ thống xe điện công cộng (Auto’lib) cho thành phố Paris (Pháp). Đặc điểm của công nghệ này chính là dung môi thay vì ở dạng lỏng, lại là tập hợp của các chuỗi polyme dưới dạng dẻo, thuận tiện hơn trong quy trình sản xuất battery. Ngoài ra, cực âm của battery là kim loại Lithium nguyên chất, còn cực dương có thể được lựa chọn từ những hợp chất tương tự công nghệ Li-ion. Cũng chính vì toàn bộ khối battery đều ở trạng thái “rắn” nên giảm bớt được nguy cơ rò rỉ chất lỏng, chất khí hoặc tăng giảm thể tích như khi sử dụng công nghệ Li-ion. Không chỉ thế, với việc dung môi ở thể rắn, có tác dụng tạo nên 1 hàng rào vật lý cản trở sự phát triển của các răng cưa Li (dendrite), điều mà trước đây có khả năng dẫn đến hiện tượng đoản mạch của battery khi các răng cưa này phát triển từ cực âm và chạm tới cực dương của battery.  Thêm nữa, việc tái chế cũng dễ dàng hơn. Tuy nghiên, nhược điểm là để có thể duy trì được tốc độ phản ứng (hay tốc độ di chuyển của ion Li+ trong dung môi rắn), battery LMP cần luôn luôn được giữ ở nhiệt độ cao (80 độ C), do đó hiệu suất năng lượng là không cao.

Cấu tạo của battery Li
Cấu tạo của battery Li polyme với dung môi ở thể rắn (Polymer Electrolyte)

Để có cái nhìn tổng quan về các công nghệ battery tồn tại ngày nay, mời các bạn cùng xem qua biểu đồ Ragone dưới đây : so sánh đánh giá định mức tỷ trọng năng lượng, công suất giữa các công nghê battery.

ragone diagram

Có thể thấy cho đến hiện nay, xét trên nhiều khía cạnh thì công nghệ battery Li-ion là công nghệ vượt trội so với các công nghệ battery khác, hơn nữa còn rất nhiều tiềm năng để phát triển thay vì đã chạm mức như một số công nghệ khác (Lithium Polyme). Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách khá xa so với các loại nhiên liệu thô như xăng và dầu Diesel.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của battery Li-ion 

Trong cấu tạo chung của battery Li-ion bao gồm : 1 cực dương, 1 cực âm và dung dịch dung môi như trong hình dưới đây :

Cấu tạo cơ bản của battery Li-ion cùng cấu trúc tinh thể của các điện cực
Cấu tạo cơ bản của battery Li-ion cùng cấu trúc tinh thể của các điện cực

Với 2 điện cực tạo thành 1 cặp chất ôxy hóa/khử nên theo nguyên tắc sẽ xảy ra phản ứng trao đổi ion giữa 2 cặp điện cực (cực dương có điện thế cao hơn cực âm) và giải phóng ra các electron (e-). Việc lựa chọn các cặp chất oxy hóa/khử là một trong những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất của battery và không phải chất nào cũng phù hơp để lấy làm cực dương hoặc cực âm. Theo đó, 2 cực âm và dương phải có khả năng hoạt động như 2 tấm bọt biển có tác dụng hút và lưu giữ ion Li+ sau đó có khả năng giải phóng các ion này trở lại môi trường. Khi phản ứng xảy ra, thởi điểm ion Li+ được trao đổi, sẽ có số lượng electron (e-) tương ứng di chuyển giữa 2 cực thông qua mạch điện bên ngoài để đạt được cân bằng điện hóa. Đây chính là quá trình tạo ra dòng điện. Còn lại, dung dịch dung môi có nhiệm vụ tạo môi trường dẫn ion (chứ không phải electron) giúp ion Li+ di chuyển qua lại giữa 2 cực và thâm nhập sâu vào bên trong cấu trúc tinh thể của 2 cực (do cấu tạo của 2 điện cực có nhiều lỗ trống sẽ được lấp đầy bởi dung môi trong quá trình hoạt động).

Các bạn có thể tham khảo thêm video sau đây để hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của battery Li-ion :

Để đảm bảo quy trình phản ứng oxy hóa/khử xảy ra cần phải có sự chênh lệch về điện thế giữa 2 cặp điện cực dương và âm. Trên lý thuyết, sự chênh lệch điện thế này càng lớn, lượng năng lượng tích trữ bởi 1 đơn vị battery càng lớn. Đó là lý do tại sao để tìm ra được công nghệ battery đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao về năng lượng của con người, các nhà hóa học thường hướng tới sự kết hợp của 1 hợp chất có điện thế cực thấp và 1 hợp chất có điện thế cực cao (so với điện thế của Li/Li+)  nhằm tạo ra sự chênh lệch điện thế lớn nhất có thể. Một phương án khác cũng có thể đáp ứng được yêu cầu về năng lượng đặt ra là chọn những cặp chất có dung tích lớn.

voltage-profiles

Có thể thấy trong hình trên, nếu như hợp chất LiMn2O4 (LMO) có điện thế trung bình khá cao (4.1V) so với hợp chất LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) (3.8V) thì nếu xét đến dung tích riêng thì hợp chất NCA lại tỏ ra vượt trội. Đến đây, chúng ta có thể thấy việc tìm ra phương án tối ưu cho 1 loại battery đáp ứng đầy đủ những yêu cầu của người sử dụng là một việc không hề dễ dàng : nên chọn hợp chất có điện thế lớn hay dung tích lớn ?. Nhìn một cách tổng thể, để tìm ra được công nghệ battery tối ưu, các nhà khoa học phải giải 1 phương trình gồm nhiều ẩn : cặp oxy hóa/khử nào là tối ưu, dung môi nào là phù hợp nhất, làm thế nào để giải quyết được vấn đề về tuổi thọ của battery, v.v… Đó là 1 trong những lý do vì sao trong khoảng 30 năm nay, các thành tựu về lĩnh vực tích trữ năng lượng chưa đáp ứng được sự kỳ vọng của giới khoa học.

Trong phần tiếp theo của loạt bài “Khái quát về battery trang bị trên ôtô”, Từ điển xe sẽ đi vào trình bày một số công nghệ battery tiềm năng trong tương lai nhằm giải đáp câu hỏi liệu năng lượng sạch có thể thực sự thay thế được nhiên liệu thô trong tương lai không xa hay không.

Để tìm hiểu về lịch sự phát triển của hệ thống pin và ắc quay trong ngành công nghiệp ôtô mời các bạn tìm đọc tại bài sau.

Tube

[Kỹ thuật – Tìm hiểu] Khái quát về battery trang bị trên ôtô (part 2)
4.57 7 votes

Các bài trong serie