Công nghệ pin đã được cải thiện kể từ khi xe điện xuất hiện, nhưng mọi thứ sắp thay đổi.
Xe điện đang tiến triển với tốc độ đáng kinh ngạc, nhưng chúng ta vẫn còn ở giai đoạn đầu. Tesla Model S và X vẫn sử dụng các định dạng cell pin chưa từng được hình dung để sử dụng trên ô tô. Tuy nhiên, rất nhiều điều sắp xảy ra trong thế giới pin ô tô. Chúng ta đang bước vào một chương mới của quá trình điện khí hóa, với công nghệ đột phá mới đã xuất hiện trên thị trường. Hầu hết mọi người vẫn chưa thấy điều đó.
Việc thúc đẩy thế hệ pin tiếp theo có hai trường phái tư tưởng: đưa công nghệ hiện tại lên tầm cao mới hoặc thay đổi hoàn toàn sang một loại pin mới. Factorial, QuantumScape và Group14 đều là những công ty có một con ngựa trong cuộc đua này và mỗi công ty đều có ý tưởng về việc đạt được trạng thái nghệ thuật. Tất cả đều có quan hệ đối tác với các nhà sản xuất ô tô lớn, điều đó có nghĩa là những gì họ đang làm ngày hôm nay có thể có tác động lớn đến những chiếc xe mà bạn sẽ sớm mua.
Những gì sắp tới
Factorial và QuantumScape đang phát triển các cell pin thể rắn. Đây vẫn là một công nghệ mới nổi và một số công ty ngoài Factorial và QS có quan điểm khác nhau về cách chúng nên hoạt động. Thuộc tính chính của tất cả các loại pin này là làm đông đặc chất điện phân lỏng theo truyền thống. Tuy nhiên, chất điện phân rắn không chỉ tạo ra lợi thế trong chân không. Tất cả là về cách bạn có thể thay đổi các bộ phận khác của pin do quá trình đông đặc, chủ yếu là cực dương. Một cực dương tốt hơn là chìa khóa để mở khóa lợi thế về mật độ năng lượng, chi phí và trọng lượng của SSB.
Hình ảnh demo của pin thể rắn.
Anode, một phần của điện cực âm, là một trong những thành phần chính của cell pin lithium, cùng với catốt (một phần của điện cực dương), bộ tách và chất điện phân. Hiện nay, hầu hết các anode pin đều được làm bằng graphite; vật liệu anode đầu tiên từng được sử dụng thành công trong pin lithium-ion. Tuy nhiên, graphite đang gần đạt đến đỉnh cao về hiệu suất và việc tìm ra vật liệu thay thế là chìa khóa để tăng mật độ năng lượng của pin về cả khối lượng và thể tích.
Lithium là vật liệu lý thuyết tốt nhất cho cực dương vì trọng lượng nhẹ và khả năng chứa năng lượng cao. Các nhà nghiên cứu đã thử sử dụng cực dương kim loại lithium trong các ô điện phân lỏng thông thường trước đây. Các thí nghiệm không bao giờ rời khỏi phòng thí nghiệm. Như bài báo nghiên cứu Lithium Metal Anode: Past, present, and Future mô tả, các tinh thể được gọi là dendrite hình thành trên cực dương của các ô thử nghiệm này chỉ sau một vài chu kỳ. Giống như tất cả các ô thông thường ngày nay, chất điện phân là chất lỏng và bộ tách (và vẫn là) về cơ bản chỉ là một miếng nhựa cực mỏng. Cả hai đều không thể làm được gì nhiều để ngăn chặn sự hình thành dendrite.
Khi cell được sạc, các tinh thể này xuyên qua bộ tách của pin và làm chập mạch. Phần buồn cười ở đây là các cell hoạt động rất tốt trong một vài chu kỳ thực sự. Pin chứa nhiều năng lượng hơn nhờ cực dương kim loại lithium, nhưng do sự phát triển của dendrite, năng lượng bổ sung này chỉ là nhiên liệu cho ngọn lửa khi cell không tránh khỏi bị chập mạch, bắt lửa và phát nổ.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu này không thực sự sản xuất pin lithium trong phòng thí nghiệm. Họ đang tạo ra những chất nổ nhỏ tình cờ lưu trữ rất nhiều năng lượng.
Sau nhiều lần thử nghiệm, ngành công nghiệp đã xác định rằng chất điện phân rắn có lẽ là cách tốt nhất để ngăn chặn việc chế tạo bom sạc lại. Nói cách khác, SSB ít nhiều được khái niệm hóa và phát triển như là kết quả của việc theo đuổi một cực dương lý tưởng. Hầu hết các pin thể rắn đang được phát triển hiện nay từ Factorial, QuantumScape và những công ty khác như Solid Power đều có cực dương kim loại lithium.
Người sáng lập Factorial Siyu Huang là một nhà hóa học đã phát triển SSB trong nhiều năm. Bà cho biết khi một trong những cell đầu tiên của công ty có trụ sở tại Boston của bà đạt được 25 chu kỳ, đó là một bước tiến lớn. Bà nhớ lại: “25 chu kỳ cho một cell 100 ampe-giờ”, “Mọi người đều rất phấn khích”. Ngày nay, pin của công ty bà – trong đó có hàng nghìn chiếc đã được chuyển đến các đối tác háo hức như Stellantis và Mercedes-Benz – đang đạt được hơn 600 chu kỳ.
Huang đã công khai về khả năng của các cell pin của mình, điều này không phải lúc nào cũng đúng đối với các công ty SSB. Cô ấy tuyên bố các đơn vị ô tô của Factorial đạt được tốc độ xả từ 4C đến 10C, tương đương với các cell pin thông thường được sử dụng trong ô tô điện ngày nay. Chúng hoạt động trong phạm vi điện áp rộng hơn một chút so với các cell pin lithium-ion thông thường và có thể sạc từ 20-80% trong vòng chưa đầy 15 phút. Điều đó cũng tương tự như các loại pin tốt nhất hiện nay nhưng có một lợi thế lớn: các gói pin thể rắn của Factorial nhẹ hơn 40% và nhỏ hơn 33% so với các loại pin tương đương. Huang rất hào hứng về tiềm năng của chúng nhưng hiểu những người hoài nghi cho rằng công nghệ này vẫn còn nhiều năm nữa mới có thể ra mắt.
“Lý do khiến trạng thái rắn chưa được [công nghiệp hóa], trước hết là cách tiếp cận,” bà nói với InsideEVs . “Có rất nhiều loại trạng thái rắn khác nhau.” Thật vậy, Factorial có một số đối thủ cạnh tranh.
QuantumScape có trụ sở tại California là một trong số đó. Giống như Factorial, công ty đã vận chuyển các cell pin đầu tiên đến tay khách hàng và đang trong quá trình công nghiệp hóa pin của mình. Tổng giám đốc điều hành của công ty, Siva Sivaram, cho biết “bí quyết” của công ty là bộ tách gốm độc đáo. Nó hoạt động như một bộ tách thông thường nhưng cũng thay thế hiệu quả chất điện phân. Nó cũng không cháy, không giống như các bộ tách lithium-ion thông thường.
Các cell của QS là “không có cực dương”, nghĩa là kim loại lithium chảy từ cực âm đến bộ thu dòng điện ở phía bên kia của bộ tách mỗi khi cell chạy theo chu kỳ. Lithium tạm thời này thực sự là cực dương, so với cell thông thường, trong đó vật liệu cực dương vẫn nằm ở một bên của bộ tách được cố định vào bộ thu dòng điện. Do đó, pin của QS giãn nở và co lại về mặt vật lý, nhưng thiết kế cell độc đáo của công ty có nghĩa là kích thước bên ngoài của thiết bị vẫn tương đối không đổi.
“Chúng tôi có công thức tương đương với Coca-Cola. Bộ tách gốm là duy nhất,” Siva cho biết. “Công suất và năng lượng, trọng lượng và thể tích, những loại pin thể rắn không có cực dương này, như đã tạo ra, là tốt nhất.”
Công ty vẫn chưa công bố bảng thông số kỹ thuật chi tiết cho các cell của mình, nhưng đã chia sẻ một số dữ liệu sơ bộ để chỉ ra rằng những cải tiến của họ có ý nghĩa. Cả Factorial và QS đều được các nhà sản xuất ô tô lớn hỗ trợ và đã thu hút được hàng trăm triệu đô la đầu tư. Tuy nhiên, không phải ai cũng nghĩ rằng lithium-ion đã chết và bị chôn vùi.
Bất chấp những nỗ lực hết mình của các nhà phát triển SSB, các nhánh cây vẫn hình thành trong các ô thể rắn. Đó là cách chúng chết. Điều này hiện giới hạn chúng ở hàng trăm chu kỳ trái ngược với hàng nghìn chu kỳ dự kiến của nhiều loại hóa chất lithium thông thường. Chúng đang liên tục được cải thiện, nhưng các nhà sản xuất ô tô bảo thủ có thể ngần ngại tham gia vào xu hướng này. Hiện tại, chúng cũng bị giới hạn ở dạng túi, trái ngược với pin Li-ion thông thường, có thể được chế tạo theo dạng hình trụ hoặc hình lăng trụ. Mỗi định dạng pin đều có ưu và nhược điểm, và việc bị kẹt ở một trong hai định dạng là không lý tưởng (xem bài thuyết trình mới nhất của GM trong ngày đầu tư). “Chúng tôi sẽ thử các định dạng khác dựa trên nhu cầu của khách hàng”, Siva cho biết, nhưng SSB sẽ vẫn là dạng túi trong thời điểm hiện tại.
Cuộc thi thông thường
Rick Luebbe là CEO của công ty vật liệu pin Group14, công ty này không sản xuất pin thể rắn. Thay vào đó, Group14 tiên phong trong việc sử dụng anode silicon cao trong pin lithium-ion thông thường, cho phép đạt được mật độ năng lượng ấn tượng và cải thiện đáng kể mật độ công suất. Ông tin rằng pin thể rắn có rất nhiều tiềm năng, nhưng công nghệ của công ty ông hiện đã sẵn sàng. Nó đã có trong thiết bị điện tử tiêu dùng và có khả năng sẽ bước vào thế giới xe điện trong vài tháng tới.
Group14 không sản xuất pin; chỉ sản xuất vật liệu anode. Họ cung cấp những vật liệu này với số lượng lớn cho các công ty như Molicel , nơi sử dụng chúng trong các cell của họ. Việc tạo ra công nghệ này là một chặng đường dài, nhưng nó cho phép một số cải tiến độc đáo. Đầu tiên là nhiều năng lượng hơn, về cơ bản là điều bắt buộc đối với bất kỳ loại pin mới nào. Luebbe cho biết những cải tiến lên đến 50% là có thể, mặc dù các số liệu ban đầu từ Molicel chỉ trong khoảng 20%. Tuy nhiên, cải tiến có liên quan hơn là mật độ công suất, điều này khiến Luebbe và nhóm của ông ngạc nhiên.
“Chúng tôi đã có thể làm cho silicon hoạt động, và ngành công nghiệp nói rằng, ‘Ồ, chúng ta có thể cải thiện mật độ năng lượng tới 50%’, điều đó thật tuyệt vời”, Luebbe nói với InsideEVs . Tuy nhiên, sau đó, một trong những khách hàng của Group14, StoreDot, đã công bố những con số hấp dẫn. “Họ đã sạc pin trong vòng chưa đầy mười phút”.
“[Anode có hàm lượng silicon cao] tốt cho mật độ năng lượng, nhưng chúng cũng tuyệt vời cho mật độ công suất.”
Mật độ công suất là tốc độ mà một cell có thể sạc hoặc xả trong bối cảnh của một dung lượng nhất định. Các cell lithium-ion thông thường có thể đạt được mật độ công suất cao về mặt tốc độ xả, nhưng tốc độ sạc cao khó đạt được hơn nếu không ảnh hưởng nghiêm trọng đến mật độ năng lượng. Do đó, các loại xe điện ngày nay có tốc độ sạc nhanh thường được trang bị bộ pin lớn hoặc hoạt động ở điện áp rất cao. Cả hai cách tiếp cận này đều cần thiết để bù đắp cho những thiếu sót của các cell hiện có.
Các đối tác của Group14 cho biết vật liệu anode của họ giải quyết được vấn đề này. Các loại pin sắp ra mắt của Molicel tăng cường dòng điện sạc lên gần gấp đôi so với các cell pin hiện đại nhất hiện nay, cùng với năng lượng tăng lên như đã đề cập ở trên. Điều này chuyển thành phạm vi rộng hơn và sạc nhanh hơn khi sử dụng trong bộ pin của EV.
Cố ý nhắm đến mục tiêu ít năng lượng hơn trong một cell—tối ưu hóa cho một thuộc tính nhất định—cũng có thể đẩy mật độ năng lượng vào phạm vi chưa từng thấy trước đây trong các cell lithium-ion. “Cell mới mà [Molicel] sắp tung ra, dòng X, họ tuyên bố rằng họ có thể sạc từ 0 đến 100% trong 90 giây,” Luebbe nói. Ông nói thêm rằng Group14 đã thử nghiệm [các cell hiện có/các cell thế hệ tiếp theo] và thấy rằng chúng đáp ứng được những tuyên bố đó.
Molicel cũng không phải là công ty duy nhất phát triển pin bằng vật liệu anode của Group14. Các đối tác của công ty rất lớn và khả năng sản xuất thế hệ vật liệu silicon hiện tại của công ty, được gọi là SCC55, đang tăng nhanh chóng. Sắp tới, các cơ sở của công ty sẽ sản xuất đủ SCC55 cho 30 gigawatt-giờ pin mới mỗi năm. Con số đó đủ cho khoảng nửa triệu ô tô điện.
Dòng thời gian
Các CEO của QuantumScape, Factorial và Group14 không thấy phù hợp để bình luận nhiều về công nghệ của nhau. Có lẽ là vì có quá nhiều sắc thái trong bất kỳ sự so sánh tiềm năng nào, hoặc có lẽ là vì tất cả họ đều hiểu ý nghĩa của việc công nghiệp hóa công nghệ pin. Đây là một ngành kinh doanh khó khăn và tất nhiên, công chúng mua xe không thường nhìn nhận theo cách đó.
Nio ET7 đã cung cấp “pin bán rắn” với chất điện phân dạng gel tại Trung Quốc. Nhưng pin SSB ô tô sản xuất thực sự không được bán ở bất kỳ thị trường nào.
Tuy nhiên, công nghệ pin của họ là có thật. Các cell anode silicon cao cấp của Group14 sẽ có mặt trên ô tô ngay khi một nhà sản xuất ô tô có thể nhét chúng vào một gói. SSB đang bám sát phía sau, đặc biệt là khi xét đến chu kỳ sản phẩm ô tô thông thường kéo dài nửa thập kỷ. Hàng ngàn cell trạng thái rắn đã được sản xuất và đang được các nhà sản xuất ô tô thử nghiệm. Chúng đã ra khỏi phòng thí nghiệm và đang trên đường đến với công nghiệp hóa.
Nếu bạn nghĩ rằng quá trình điện khí hóa đang trì trệ, hãy nghĩ lại nơi chúng ta bắt đầu. Tesla Model S và X vẫn đang sử dụng 18650, một định dạng pin được thiết kế cho thiết bị điện tử tiêu dùng. Những tiến bộ cho đến nay trong EV chủ yếu là về mặt kiến trúc: Tăng điện áp, thay đổi hệ số hình dạng pin, tinh giản thân xe và làm cứng lốp. Pin đã được cải thiện, nhưng không phải là sắp được cải thiện. Sự thay đổi này có vẻ như diễn ra chỉ sau một đêm, nhưng những công nghệ này đã phát triển trong nhiều thập kỷ. Chúng cuối cùng cũng bắt đầu đi vào hoạt động.
Peter là Biên tập viên cộng tác tại Motor1 và là người yêu thích hầu hết các công nghệ, đặc biệt là công nghệ bánh xe. Anh ấy đã lấy bằng Thiết kế công nghiệp vào năm 2020 và chưa sử dụng nó kể từ đó. Anh ấy sống tại New Hampshire.
InsideEV
