Xe điện đã có bước tiến từ những chiếc xe chỉ chạy vòng quanh thành phố đến việc trở thành trọng tâm chính trong kế hoạch sản xuất ô tô của các thương hiệu. Năm 2011, 10.000 xe điện BEV được bán ở Mỹ, con số này có lẽ chẳng có nghĩa lý gì trong số 11,5 triệu xe được bán ra trong năm đó. Các nhà phân tích đã dự đoán năm 2023 doanh số xe điện cán mốc hàng triệu xe được bán ra, và con số này sẽ tăng theo cấp số.
Một xu hướng có ý nghĩa khác đáng chú ý trong cùng thời kỳ này và giúp giải thích tại sao xe điện lại chiếm lĩnh thị trường nhanh chóng đến vậy. Vào năm 2011, BEV trung bình được bán ở Mỹ có phạm vi hoạt động rất nhỏ là 73 dặm (điều này tình cờ là phạm vi đánh giá chính xác của EPA của Nissan Leaf 2011, chiếc BEV thực sự phổ thông đầu tiên). Con số đó đã tăng gấp bốn lần trong 12 năm qua, và một chiếc BEV mới bán ra ngày nay có phạm vi hoạt động trung bình là 291 dặm.
Điều này đã giúp tăng tốc độ áp dụng, khi người tiêu dùng yêu cầu—với lợi nhuận khổng lồ—rằng BEV của họ có phạm vi hoạt động hơn 300 dặm, theo nghiên cứu của cả Bloomberg và Cox Automotive. Việc mọi người có sử dụng quãng đường đó hay không vẫn còn là vấn đề tranh luận, nhưng rõ ràng là nếu không có những bước nhảy vọt về công nghệ pin đã cho phép BEV chạy được quãng đường 300 dặm, thì thị phần ô tô điện ở Mỹ vẫn sẽ chỉ được đo bằng một phần mười phần trăm. .
Vậy làm thế nào các nhà sản xuất ô tô có thể thúc đẩy bước nhảy vọt về phạm vi hoạt động này? Câu trả lời ngắn gọn là mặc dù pin thường được tiếp thị một cách đơn giản nhưng lại có những khác biệt lớn về cách chúng được chế tạo, quản lý và tích hợp vào ô tô mà chúng cung cấp năng lượng. Đây là cách xe điện đã đạt được những khoảng cách đáng kinh ngạc như vậy — và cách các bộ pin có thể chạy được hơn 1.000 dặm trong tương lai không xa.
Các tế bào, liên kết với nhau
Benjamin Franklin là người đầu tiên đặt ra thuật ngữ “Battery” – “pin” vào năm 1760 cho một thiết bị dùng để lưu trữ điện tích. Tất cả các loại pin đều dựa trên cùng một khái niệm cơ bản: Thế năng hóa học dễ bảo quản được lưu trữ ở trạng thái không hoạt động bên trong pin. Bằng cách kích hoạt phản ứng hóa học trong pin và giải phóng năng lượng hóa học tiềm tàng, điện sẽ được tạo ra.
Tất cả pin đều chứa ba thành phần để hoạt động: hai cực điện (được gọi là cathode và anode) và một chất hóa học ngăn cách chúng, được gọi là chất điện phân. Các ion chảy qua chất điện phân từ anode đến cathode sẽ giải phóng điện; các ion chảy theo hướng ngược lại sẽ sạc lại pin. Đó là một khái niệm đơn giản, nhưng việc thực hiện có thể cực kỳ phức tạp.
Pin sạc đầu tiên là pin axit chì (ắc quy), ngày nay vẫn được sử dụng trong ô tô để chạy các thiết bị điện. Hầu hết xe điện vào đầu thế kỷ 20 và kéo dài đến cuối những năm 1990 với GM EV1 đều sử dụng pin axit chì làm nguồn năng lượng. Đây là cách triển khai tương đối đơn giản của khái niệm pin, với chì kim loại và chì dioxide đóng vai trò là cực âm và cực dương, và một loại dung dịch lưu huỳnh nào đó làm chất điện phân.
Mặc dù pin axit chì ổn định về mặt hóa học nhưng chúng có mật độ năng lượng thấp so với trọng lượng của chúng—khoảng 35 watt-giờ/kg—và chúng có xu hướng xuống cấp nhanh chóng khi hết pin nhiều lần. Hầu hết các loại pin axit chì đời đầu đều sử dụng axit sulfuric lỏng pha loãng làm chất điện phân, có nghĩa là nếu pin bị lật, axit cực kỳ nguy hiểm sẽ tràn ra ngoài. Những loại pin đời đầu này cũng cần được nạp nước thường xuyên, điều này khiến việc bảo trì xe điện trở thành một công việc khó khăn. Do đó, những chiếc xe điện đời đầu là những cỗ máy nặng, cần bảo trì cao, có phạm vi hoạt động ngắn và bộ pin lớn, khiến chúng không thể tồn tại rộng rãi trong nhiều thập kỷ.
Big Oil vs. Nickel Hydride
Sự phát triển lớn tiếp theo trong công nghệ xe điện đến từ ý tưởng của nhà phát minh tự học người Mỹ Stanford Ovshinsky dưới dạng pin niken-hyđrua kim loại (NiMH). Pin NiMH cải tiến đáng kể so với dạng axit chì trước đó—nó sử dụng niken hydroxit (“Ni”) làm cathode, hợp kim hấp thụ hydro làm anode (“MH”) và kali hydroxit làm chất điện phân. Chất điện phân kali-hydroxit ít nguy hiểm hơn hỗn hợp axit sunfuric trong pin axit chì và điều quan trọng là “Pin NiMH có mật độ năng lượng và năng lượng cao hơn cũng như vòng đời dài hơn nhiều so với pin axit chì”, theo John M. German trong Bách khoa toàn thư về năng lượng. Mật độ năng lượng này gần gấp đôi so với pin axit-chì, ở mức khoảng 70 Wh/kg.
Theo German, pin NiMH rất phổ biến vì chúng “hoàn toàn an toàn và công suất đầu ra của chúng không bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc của pin”, nghĩa là điện áp đầu ra vẫn ổn định cho đến khi pin hết hoàn toàn. Đây đều là những thuộc tính hấp dẫn đối với các ứng dụng ô tô và thực tế, các nhà sản xuất ô tô đã sử dụng pin NiMH không lâu sau phát minh của Ovshinsky. Nhiều chiếc xe điện “đợt sóng đầu tiên” vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000 đã sử dụng pin NiMH và đạt được một số thành công.
General Motors đã chuyển đổi từ axit chì sang pin NiMH trong quá trình sản xuất EV1. Điều này đã tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của ô tô một cách hiệu quả so với các bộ nguồn axit chì trước đây — mặc dù có vấn đề đáng kể về tình trạng pin quá nóng, vì pin NiMH rất nhạy cảm với nhiệt.
Toyota cũng sử dụng pin NiMH trong RAV4 EV chạy hoàn toàn bằng điện, nhưng sau khi Chevron mua bằng sáng chế vào năm 2001 và vụ kiện tiếp theo chống lại Toyota vì vi phạm bản quyền, công ty buộc phải ngừng sử dụng loại pin này làm nguồn năng lượng duy nhất cho BEV. . (Toyota vẫn sử dụng pin NiMH cho bộ pin hybrid của mình vì vụ kiện bản quyền không liên quan đến xe hybrid xăng-điện.)
Tuy nhiên, vụ kiện vi phạm đã khiến một số người tin rằng ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch đã cố tình bóp nghẹt BEV trong nôi của nó. Mặc dù các nhà sản xuất ô tô khẳng định không có sự quan tâm đối với những chiếc xe điện chạy 100 dặm mất 18 giây để đạt vận tốc 60 dặm/giờ. (Thị trường hiện tại dành cho xe điện siêu nhanh và nhu cầu về phạm vi hoạt động 300 dặm dường như ủng hộ điều này.) Khi đó, điều cần thiết để được áp dụng rộng rãi là một loại hóa chất pin khác có thể mang lại cho người mua phạm vi hoạt động và sức mạnh mà họ thực sự mong muốn.
Ca khúc thứ năm trong Nevermind của Nirvana
Sự tiến bộ cuối cùng đã cho phép xe điện chạy được 300 dặm là việc sản xuất hàng loạt pin lithium-ion (li-ion) lớn. Pin Li-ion có nhiều dạng cụ thể khác nhau, nhưng chúng đều có một điểm chung: chất điện phân muối lithium lỏng. Pin Li-ion có mật độ năng lượng tuyệt vời, lên tới 270 Wh/kg, gấp bốn lần so với pin NiMH trung bình. Ngoài ra, như Jayam Prabhakar Aditya và Mehdi Ferdowsi giải thích trong một bài báo của IEEE năm 2008, pin li-ion có “trọng lượng nhẹ…năng lượng riêng cao, hiệu suất hoạt động ở nhiệt độ cao tốt, ít phải bảo trì” cũng như tỷ lệ tự phóng điện thấp. so với pin NiMH (có nghĩa là chúng không bị hao điện nhanh khi không sử dụng).
Mặc dù pin li-ion trong các ứng dụng ô tô không phải là mới (lần sử dụng đầu tiên là trên chiếc Nissan Altra EV 1998) nhưng chúng rất thất thường và quá trình phát triển rất gian khổ. Pin được chăm sóc kém sẽ dễ phát nổ và pin li-ion cần một lượng lớn vật liệu nguy hiểm để chế tạo, khiến việc sản xuất hàng loạt trở nên khó khăn. Tuy nhiên, những đặc tính tích cực và mật độ năng lượng cực cao của chúng rất hấp dẫn, khiến cả Tesla và Nissan theo đuổi bộ pin li-ion cho xe ô tô đại chúng.
Kết quả là không thể tranh cãi. Tesla, công ty đầu tiên đưa ra thị trường chiếc xe chạy pin li-ion sản xuất trên chiếc Roadster, đã sử dụng hoạt động R&D ban đầu của mình để khiến các nhà sản xuất ô tô “cũ” mất cảnh giác; Nissan, với chiếc Leaf tầm thường hơn, là nhà sản xuất đầu tiên bán được hơn 300.000 BEV. Khả năng hoạt động tầm xa của pin li-ion có nghĩa là chúng là công nghệ đầu tiên thuyết phục được công chúng—và các nhà sản xuất ô tô—rằng BEV đáng theo đuổi.
Pin Li-ion dùng trong ô tô chủ yếu dựa vào hai thành phần hóa học khác nhau, dựa trên cấu trúc của cathode. Loại đầu tiên và phổ biến nhất là niken-mangan-coban (NMC) hoặc niken-coban-nhôm (NCA), đây là cách chế tạo pin lithium hiệu quả nhất. Khó khăn trong việc tìm nguồn cung cấp niken từ Nga sau cuộc xâm lược Ukraine, tuy nhiên, đã khiến một số nhà sản xuất ô tô theo đuổi việc chế tạo cực âm lithium-iron-phosphate (LFP), có mật độ năng lượng thấp hơn (ở mức 160 Wh/kg so với mức cao nhất của NMC là 270 Wh/kg), nhưng dễ tìm nguồn hơn.
Sau sự thống trị rất sớm của pin NMC và NCA, pin LFP hiện chiếm khoảng 30% thị trường xe điện mới, chủ yếu nhờ vào nhà sản xuất ô tô BYD của Trung Quốc và việc sử dụng ngày càng tăng của nhà sản xuất ô tô Mỹ Tesla. Ngay cả với pin LFP có mật độ năng lượng thấp hơn, Tesla vẫn cố gắng đạt được phạm vi hoạt động gần 300 dặm ở Model 3 tiêu chuẩn, có nghĩa là sự khác biệt giữa NMC và LFP không đáng kể bằng sự khác biệt giữa NiMH và li-ion, hoặc axit chì và NiMH.
Tuy nhiên, sự khác biệt giữa pin LFP và NMC có thể không là gì so với những gì sắp xảy ra đối với BEV.
Lớp gốm được điện khí hóa
Tiến bộ tiếp theo trong tương lai của pin là pin lithium thể rắn. Pin thể rắn thay thế chất điện phân lỏng muối lithium (có tính phản ứng cao và dễ cháy) của pin li-ion truyền thống bằng chất điện phân rắn (thường là loại gốm nào đó). Điều này hầu như loại bỏ nguy cơ cháy nổ của pin li-ion đồng thời tăng gấp đôi mật độ năng lượng và tăng tuổi thọ tổng thể. Theo Allan Paterson, giám đốc kỹ thuật của công ty khởi nghiệp công nghệ pin Britishvolt, “Trạng thái rắn là chén thánh của các giải pháp pin… [chúng] có thể thay đổi một cách tích cực và đáng kể thế giới xe điện”. Tuy nhiên, hàng thập kỷ nghiên cứu để tìm ra chất điện phân rắn phù hợp không bị nứt khi sạc nhiều lần vẫn không mang lại kết quả gì.
Tuy nhiên, điều đó có thể thay đổi trong những năm tới vì Toyota tuyên bố pin lithium thể rắn đầu tiên của họ với phạm vi hoạt động hơn 600 dặm sẽ được tung ra thị trường vào đầu năm 2027. Toyota gần đây đã hợp tác với công ty dầu mỏ Idemitsu của Nhật Bản để bắt đầu sản xuất loại pin mới, với mục tiêu sản xuất hàng loạt vào cuối thập kỷ này. Có lẽ, cuối cùng, những chiếc xe điện có quãng đường hơn 600 dặm cuối cùng sẽ chữa khỏi nỗi lo về quãng đường di chuyển. Cho đến lúc đó, luôn có nguồn năng lượng lithium-ion nặng 2818 pound của Hummer EV để giúp che giấu nỗi sợ hãi của bạn.
