Một Hướng Tiếp Cận Mới Đối với Pin Ô tô Sắp Thay Đổi Toàn Diện Cho Xe Điện

Trọng lượng là một trong những điều khó chịu nhất đối với các nhà thiết kế và kỹ sư ô tô. Pin có trọng lượng và mật độ cao, và với động cơ đốt trong đang nhanh chóng chuyển giao cho tương lai điện, vấn đề làm thế nào để đối phó với khối lượng pin thêm vào của xe điện đang trở nên quan trọng hơn.

Nếu bạn muốn xây dựng một chiếc xe điện với tầm hoạt động tốt hơn, việc đặt một pin lớn hơn để cung cấp tầm hoạt động đó không nhất thiết là giải pháp. Sau đó, bạn sẽ phải tăng kích thước của hệ thống phanh để làm cho chúng có khả năng dừng lại cho chiếc xe nặng hơn, và do các bộ phận phanh lớn hơn bạn cần bánh xe lớn hơn, và trọng lượng của tất cả những mục đó sẽ yêu cầu một cấu trúc mạnh mẽ hơn. Đây là điều mà các nhà thiết kế ô tô gọi là “vòng xoáy trọng lượng,” và vấn đề với pin là chúng buộc bạn phải mang theo trọng lượng chết chỉ để cung cấp năng lượng cho chiếc xe.

Nhưng liệu bạn có thể tích hợp pin vào cấu trúc của chiếc xe sao cho tế bào có thể phục vụ cả hai mục đích là cung cấp năng lượng cho chiếc xe và làm cột sống cho nó? Đó chính xác là những gì Tesla và các công ty Trung Quốc như BYD và CATL đang làm việc. Các thiết kế cấu trúc mới xuất hiện từ những công ty này không chỉ thay đổi cách sản xuất xe điện mà còn tăng tầm hoạt động của xe trong khi giảm chi phí sản xuất.

Theo Euan McTurk, một chuyên gia về điện hóa pin tư vấn tại Plug Life Consulting, với các công nghệ như cell-to-pack, cell-to-body, và cell-to-chassis trong xây dựng pin cho phép pin được phân phối một cách hiệu quả hơn bên trong chiếc xe, chúng ta đang tiến rất gần tới một pin ô tô hoàn hảo trong tưởng tượng. “Bộ pin tối ưu sẽ là một bộ pin mà 100% là chất liệu hoạt động. Đó là, mọi phần của bộ pin đều lưu trữ và phát ra năng lượng,” ông nói.

Truyền thống, pin ô tô đã sử dụng các mô-đun tế bào sau đó được kết nối thành các bộ pin. BYD tiên phong trong công nghệ cell-to-pack, loại bỏ bước mô-đun trung gian và đặt tế bào trực tiếp vào bộ pin. Theo Richie Frost, người sáng lập và CEO của Sprint Power, “các mô-đun tiêu chuẩn có thể phù hợp tốt trong một bộ pin nhưng để lại khu vực 'lãng phí' lớn trong một bộ pin khác. Bằng cách loại bỏ ràng buộc của một mô-đun, số lượng tế bào có thể được tối đa hóa trong bất kỳ hộp nào.”

Vì vậy, cell-to-pack cho phép các khối xây dựng mô-đun được loại bỏ khỏi bộ pin, có nghĩa là ít không gian bị lãng phí hơn. BYD cũng ủng hộ pin LFP (lithium iron phosphate), có ổn định hóa hóa học tốt hơn và giá rẻ hơn để sản xuất. Một vấn đề là mật độ năng lượng của các tế bào LFP không tốt bằng các tế bào hóa học NCM (nickel cobalt manganese) được sử dụng trong các xe điện như Hyundai Kona Electric, Jaguar I-Pace và dòng xe ID của Volkswagen. Tuy nhiên, thiết kế cell-to-pack giúp công ty có thể đặt thêm nhiều tế bào vào một không gian nhất định và tăng mật độ đến mức gần bằng với pin NCM có thể đạt được.

Đặt tại Shenzhen, BYD là một trong những nhà sản xuất ô tô điện tích hợp theo chiều dọc hàng đầu thế giới—nghĩa là họ sản xuất pin, nhiều bộ phận của xe và chính các chiếc xe, nhưng thực tế bắt đầu như một công ty pin. Đối thủ lớn nhất của họ trong lĩnh vực pin xe điện Trung Quốc là Contemporary Amperex Technology (CATL), một công ty đã từng là nhà sản xuất pin ô tô điện lớn nhất thế giới vào năm 2021, với 32.6% thị trường. Điều này chủ yếu là do CATL chiếm độc quyền thị trường Trung Quốc với 52% thị phần.

CATL đã có một nhà máy ở Đức, cùng với một nhà máy pin 5 tỷ đô đang xây dựng tại Indonesia và kế hoạch đầu tư tương tự tại Mỹ. Việc đầu tư của họ vào cả khai thác lithium và cobalt giúp bảo vệ công ty khỏi biến động giá hàng hóa. Nhưng một trong những yếu tố quan trọng cho sự mở rộng toàn cầu của CATL sẽ là công nghệ cell-to-chassis, nơi pin, khung và dưới cơ của một chiếc ô tô điện được tích hợp như một thể, hoàn toàn loại bỏ nhu cầu của một bộ pin riêng trong xe.

Việc phân phối lại khối lượng pin cũng sẽ giải phóng không gian trong thiết kế của xe để tạo ra một nội thất rộng rãi hơn, vì các nhà thiết kế sẽ không còn cần nâng cao chiều cao sàn của xe điện để chứa các tế bào ở dưới một tấm lớn. Được giải phóng từ những ràng buộc trước đó, khi tế bào có thể tạo thành toàn bộ khung, nhà sản xuất sẽ có khả năng nhét thêm nhiều tế bào vào mỗi chiếc ô tô, từ đó tăng tầm hoạt động.

CATL ước tính rằng các phương tiện sản xuất theo thiết kế này sẽ đạt được tầm hoạt động 1,000 kilômét (621 dặm) mỗi lần sạc—tăng 40% so với công nghệ pin thông thường. 

Tại Sự kiện Pin của Tesla năm 2020, công ty chia sẻ thông tin về một số tiến bộ quan trọng. Trong khi pin 4680 mới của Tesla thu hút sự chú ý, CEO Elon Musk và phó chủ tịch cấp cao Drew Baglino mô tả cách sản xuất ô tô của Tesla đang thay đổi thông qua việc sử dụng các bộ phận đúc lớn để thay thế nhiều bộ phận nhỏ. Họ cũng cho biết rằng Tesla sẽ bắt đầu sử dụng công nghệ cell-to-body vào khoảng năm 2023.

Sử dụng ví dụ của một cánh máy bay—nơi thay vì có một cánh với bể nhiên liệu bên trong, các bể có hình cánh máy bay—đôi này nói rằng các tế bào pin sẽ được tích hợp vào cấu trúc của chiếc xe. Để làm điều đó, Tesla đã phát triển một loại keo mới. Thông thường, keo trong một bộ pin giữ các tế bào và các tấm pin lại và đóng vai trò như chất chống cháy. Giải pháp của Tesla thêm một chức năng củng cố cho chất kết dính, biến toàn bộ pin thành có khả năng chịu tải.

McTurk giải thích: “Tích hợp tế bào vào cấu trúc cho phép tế bào và cấu trúc trở thành đa nhiệm. Các tế bào trở thành nơi lưu trữ năng lượng và hỗ trợ cấu trúc, trong khi cấu trúc trở thành nơi hỗ trợ cấu trúc và bảo vệ tế bào. Điều này hiệu quả hủy bỏ trọng lượng của vỏ tế bào, biến nó từ trọng lượng chết thành một phần quan trọng của cấu trúc của phương tiện.”

Theo Tesla, thiết kế này, cùng với công nghệ đúc chảy kim loại của nó, có thể giúp xe ô tô tiết kiệm 370 bộ phận. Điều này giảm trọng lượng của thân xe 10%, giảm chi phí pin 7% mỗi kilowatt-hour và cải thiện tầm hoạt động của xe.

Trong khi pin 4680 của Tesla với dung tích lớn có vẻ đóng vai trò quan trọng trong khả năng chuyển đổi của công ty sang thiết kế cell-to-body, pin mới Qilin của CATL lại tăng dung lượng lên 13% so với 4680, với hiệu suất sử dụng dung tích 72% và mật độ năng lượng lên đến 255 watt-giờ trên mỗi kilogram. Nó dự kiến sẽ trở thành một phần quan trọng của giải pháp cell-to-pack thế hệ thứ ba của CATL và có thể sẽ là cơ sở cho dịch vụ cell-to-chassis của công ty.

Đối với những người nghĩ rằng những công nghệ pin đột phá này còn vài năm nữa mới xuất hiện, cell-to-chassis thực tế đã có mặt. Leapmotor, một công ty khởi nghiệp ô tô điện Trung Quốc đang phát triển nhanh nhưng vẫn khá ít người biết đến, tuyên bố là công ty đầu tiên mang đến thị trường chiếc xe hơi sản xuất có công nghệ cell-to-chassis. Sedan C01 của Leap sẽ ra mắt trước cuối năm 2022. Sử dụng công nghệ độc quyền, mà công ty đã đề xuất chia sẻ miễn phí, Leap nói rằng C01 mang lại khả năng vận hành xuất sắc (phân phối trọng lượng tốt hơn của thiết kế cell-to-chassis có thể giải thích điều này), tầm hoạt động ít nâng và an toàn va chạm cải thiện. 

Nhiều ô tô điện trước đây được tạo ra từ nền tảng của ô tô động cơ nội địa—và có một số vẫn là nhưng—nhưng việc áp dụng thiết kế cell-to-chassis sẽ làm cho những nền tảng cũ kia trở nên lạc lõng. Theo Frost tại Sprint Power, “sự cam kết của hầu hết [nhà sản xuất] đối với tương lai chỉ có xe điện kết hợp với những thiết kế tích hợp hơn, chẳng hạn như cell-to-chassis, sẽ dẫn đến cải thiện đáng kể về thiết kế và hiệu suất tổng thể của ô tô điện.”

Trong khi công nghệ cell-to-chassis không thể phủ sóng tất cả, đó không phải là một phương thuốc trị liệu. Các công nghệ như pin rắn và pin natri có lẽ sẽ là một phần của câu đố. Và việc áp dụng cell-to-chassis nhất định sẽ đưa ra những vấn đề mới cho ngành công nghiệp.

Một điều là, việc thay thế tế bào bị lỗi sẽ khó khăn hơn nhiều trong một thiết bị cell-to-chassis, vì mỗi tế bào sẽ là một phần tích hợp của cấu trúc của xe. Sau đó là câu hỏi về việc xe bị phế liệu. Hiện tại, các mô-đun có thể tìm đường vào nhiều ứng dụng tái chế, nhưng McTurk tin rằng kích thước pin lớn hơn trong thiết kế cell-to-pack và cell-to-chassis có thể giới hạn chúng chỉ cho các ứng dụng lưu trữ lưới điện.