Trung Quốc qua mặt thế giới, tìm ra cách làm “siêu pin”: Xe điện giờ đi xa hơn 1.000km, vượt cả xe xăng?

Pin giúp xe điện đi xa gấp 4 lần

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa đưa vào vận hành dây chuyền sản xuất thử nghiệm cho một loại pin lithium mới, với mật độ năng lượng cao gấp đôi so với loại pin xe điện (EV) tân tiến nhất trên thị trường.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí khoa học danh tiếng

Nature

tuần trước, nhóm nghiên cứu từ Khoa Khoa học Vật liệu thuộc Đại học Thiên Tân đã trình bày chi tiết về phương pháp thiết kế và sản xuất loại pin lithium này.

Loại pin mới này có thể đạt mật độ năng lượng – lượng năng lượng lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng – ở mức hơn 600 watt-giờ/kilogram (Wh/kg). Để so sánh, mật độ năng lượng của pin 4680 do Tesla sản xuất là khoảng 300Wh/kg, trong khi pin Blade được BYD sử dụng rộng rãi chỉ đạt 150Wh/kg.

Thành tựu này cũng vượt qua mục tiêu mà Bắc Kinh đề ra cho pin xe điện là đạt 400Wh/kg trong kế hoạch “Made in China 2025” nhằm nâng cấp các ngành công nghiệp công nghệ cao của đất nước và giảm sự phụ thuộc vào hàng nhập khẩu.

Nếu loại pin mới này được đưa vào sử dụng trên quy mô lớn, nó có thể tăng gấp đôi, thậm chí gấp bốn lần phạm vi hoạt động của xe điện, xóa tan “nỗi lo về phạm vi hoạt động” (range anxiety) – nỗi sợ xe không đủ pin để tới đích – vốn được xem là rào cản lớn cuối cùng ngăn xe điện chiếm lĩnh thị trường.

Hiện tại, các mẫu xe điện của BYD có thể chạy khoảng 400-500km khi sạc đầy. Nếu loại pin mới hoạt động đúng hiệu quả, nó có thể giúp các mẫu xe điện Trung Quốc chạy được quãng đường lên đến cả 1000km, thậm chí được coi là vượt qua cả xe xăng.

Pin của nhóm nghiên cứu đã cho thấy khả năng phục hồi tốt trong các bài kiểm tra về nhiệt độ thấp, cháy nổ và thậm chí là đâm thủng bằng đinh, thể hiện sự ổn định vượt trội về nhiệt và cơ học.

Dây chuyền sản xuất thử nghiệm được đặt tại thành phố cảng Thiên Tân ở phía bắc Trung Quốc. Các viên pin được sản xuất tại đây đã được sử dụng trên ba mẫu máy bay không người lái ở nước này, giúp kéo dài thời gian hoạt động của chúng lên 2,8 lần.

Cách thức mới đột phá

Pin lithium kim loại từ lâu đã được xem là yếu tố có thể thay đổi cuộc chơi trong công nghệ lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, các thiết kế chất điện phân hiện có rất khó để đạt được đồng thời cả sản lượng năng lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài.

Trưởng nhóm nghiên cứu, ông Hồ Văn Bân, cho biết ý tưởng thiết kế này “phá vỡ sự phụ thuộc truyền thống vào cấu trúc solvat hóa chiếm ưu thế trong thiết kế chất điện phân, đạt được sự cải thiện kép về mật độ năng lượng và hiệu suất tổng thể”.

Cấu trúc solvat hóa (solvation structure) là thuật ngữ chỉ sự sắp xếp đặc thù của các phân tử chất điện phân xung quanh một ion lithium.

Các công thức anion và chất điện phân độc quyền của nhiều nhà sản xuất pin khác nhau chính là yếu tố quyết định mức mật độ năng lượng trong sản phẩm của họ.

Nghiên cứu của ông Hồ áp dụng một phương pháp mới bằng cách đa dạng hóa cấu trúc solvat hóa sang trạng thái phi cục bộ, giúp cải thiện sự cân bằng của các đặc tính điện phân cục bộ.

Nhóm của ông đã xác định các loại muối lithium và dung môi hứa hẹn nhất bằng cách sử dụng dữ liệu lớn và phân tích cụm học máy để đưa ra thành phần của chất điện phân cho pin.

Loại pin này có thể duy trì mật độ năng lượng ổn định sau 90 chu kỳ sạc. Một chu kỳ của pin lithium được tính là một lần sạc và xả đầy.

Viên pin cũng cho thấy sự vượt trội trong các bài kiểm tra an toàn, nhờ việc bổ sung các thành phần chứa flo vào chất điện phân giúp cải thiện độ ổn định nhiệt.

Ngoài ra, nó có thể chịu được các bài kiểm tra đâm thủng bằng đinh, chất điện phân không bắt lửa khi tiếp xúc với ngọn lửa trần và vẫn ở trạng thái lỏng mà không bị đóng băng ở nhiệt độ thấp tới âm 60 độ C.

Cuối cùng, sau các đánh giá an toàn nghiêm ngặt, các nhà nghiên cứu đã lắp ráp một bộ pin lithium kim loại có tên là Pack480, với dung lượng 3.904Wh.

Việc lắp ráp một bộ pin dung lượng cao như vậy là một thách thức kỹ thuật lớn, đòi hỏi sự đồng nhất và ổn định đặc biệt giữa các cell pin.

Trong quá trình thử nghiệm, bộ pin này đã cung cấp nhiều năng lượng hơn trên cùng một khối lượng và vẫn duy trì sự ổn định sau 25 chu kỳ, vượt trội hơn hầu hết các loại pin hiện có.

Ông Hồ cho biết loại pin này dự kiến sẽ được ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi mật độ năng lượng cao, bao gồm xe điện và máy bay điện, và đã được thử nghiệm trên các máy bay không người lái.