Sạc pin ô tô trong 5 phút? Đó là Kế hoạch

Vào cuối năm ngoái, các quan chức của Formula E công bố thông số kỹ thuật cho thế hệ thứ ba của các chiếc xe đua hoàn toàn điện sẽ ra mắt trên đường đua vào năm 2022. Các chiếc xe mới của Formula E sẽ là những chiếc xe đầu tiên sử dụng các trạm sạc siêu nhanh có đủ công suất để sạc đầy pin xe Tesla Model S trong khoảng 10 phút. Mặc dù các tay đua chỉ sử dụng trạm sạc trong thời gian ngắn để nghỉ ngơi, chúng sẽ mang lại cái nhìn về tương lai ngoài đường đua: pin EV có thể sạc trong thời gian tương đương việc đổ đầy bình xăng.

Đúng là có các trạm sạc EV nhanh đã tồn tại. Tesla và Porsche đều vừa triển khai các trạm sạc công cộng với công suất 250 kilowatt, có thể đưa một số pin xe điện gần đến mức sạc đầy trong khoảng 40 phút. Điều này vượt qua việc để xe sạc qua đêm trong garaxe, nhưng vẫn mất thời gian rất nhiều so với việc đổ đầy bình xăng của một chiếc xe nạp xăng. Ngoài ra, chúng chỉ có sẵn cho một số ít xe điện mới, cao cấp. Nếu chúng ta muốn điện hóa các con đường, chúng ta cần có pin xe điện giá rẻ có thể sạc nhanh hơn.

“Hơn 50% dân số Hoa Kỳ sống trong căn hộ, chung cư hoặc nhà không có khả năng sạc pin,” nói Matthew Keyser, người đứng đầu nhóm lưu trữ năng lượng điện hóa tại Viện Năng lượng tái tạo Quốc gia. “Để tăng cường việc sử dụng xe điện, chúng ta cần cung cấp một phương tiện sạc nhanh cho phân khúc xã hội này.”

Việc tăng tốc độ sạc pin lithium-ion đòi hỏi phải làm mất cân đối. Trong quá trình sạc, ion lithium chảy từ catot đến anot của cell, thường được làm từ than chì, một loại cacbon. Anot giống như một cái xô thu thập và lưu trữ ion trong khi pin đang sạc. Anot dày hơn - xô lớn hơn - có thể chứa nhiều năng lượng dưới dạng ion lithium, giúp ô tô điện đi xa hơn trên một lần sạc.

Tuy nhiên, anot dày cũng làm cho việc sạc nhanh trở nên khó khăn hơn, vì ion phải đi xa hơn dọc theo những con đường vòng xoắn trong anot. Nếu ion không thể xâm nhập vào anot đủ nhanh trong quá trình sạc, nó gây ra một tắc nghẽn phân tử và lithium bị đóng chặt trên bề mặt. Hiện tượng này, được biết đến là lithium plating, có thể làm suy giảm hiệu suất pin. Nếu đủ nhiều ion được chất đống trên bề mặt của anot, chúng có thể tạo thành những chiếc nhọn gọi là 'dendrites' lithium có thể làm cho cell bị ngắn mạch.

Anna Tomaszewska, một kỹ sư hóa học tại Đại học Imperial London, người gần đây đã làm đồng tác giả của một bài báo đánh giá về pin lithium-ion sạc nhanh, nói một giải pháp có thể giải quyết vấn đề lithium plating là thêm silic vào anot. Silic rẻ tiền, phong phú, và có thể thay đổi cấu trúc tinh thể của anot một cách làm giảm khả năng xảy ra lithium plating. 'Silic đã trở nên phổ biến với các nhà sản xuất vì nó cũng có thể cải thiện dung lượng năng lượng của pin', Tomaszewska thêm.

Thực tế, nhiều công ty, kể cả Tesla, đã thêm silic hoặc oxit silic vào anot than chì để nén thêm một số năng lượng từ cell lithium-ion của họ. Nhưng Enevate, một công ty lưu trữ năng lượng có trụ sở tại Nam California, muốn loại bỏ than chì khỏi hình. Trong suốt 15 năm qua, công ty đã hoàn thiện một viên pin lithium-ion sạc cực kỳ nhanh với một anot silic thuần túy.

Đầu năm nay, các nhà nghiên cứu của công ty thông báo rằng thế hệ pin mới nhất của họ có thể sạc đến 75% chỉ trong năm phút - mà không làm giảm mật độ năng lượng. 'Chúng tôi có thể có một sạc nhanh mà không làm giảm mật độ năng lượng vì chúng tôi đang sử dụng một phương pháp silic thuần túy giá rẻ', Ben Park, người sáng lập và giám đốc công nghệ của Enevate, nói.

Các công ty pin thường nổi tiếng với việc công bố các đột phá về hiệu suất trong các cell thử nghiệm mà không bao giờ ra thị trường. Nhưng điều làm nổi bật công nghệ của Enevate, theo Jarvis Tou, phó chủ tịch điều hành của công ty, là vật liệu catot của nó có thể dễ dàng tích hợp vào quy trình sản xuất pin hiện tại. Tou nói rằng Enevate đã bắt đầu đàm phán với các nhà sản xuất pin lithium-ion để bắt đầu tích hợp catot của Enevate vào pin thương mại. Ứng dụng đầu tiên cho pin sạc nhanh sẽ là cho dụng cụ cầm tay, nhưng Enevate đang làm việc với các nhà sản xuất ô tô để bao gồm nó vào ô tô điện ngay từ năm 2024.

Các công ty khác cũng đua nhau mang các hóa chất catot sạc nhanh đến thị trường. StoreDot, một công ty lưu trữ năng lượng Israel, đang phát triển một pin ô tô điện mà họ kỳ vọng sẽ sạc trong khoảng dưới 10 phút. Và tháng trước, các nhà nghiên cứu của công ty khởi nghiệp pin Anh Echion tuyên bố đã xây dựng một pin lithium-ion có thể sạc chỉ trong sáu phút bằng catot được làm từ hỗn hợp oxit niobium được nano kỹ thuật để vận chuyển hiệu quả ion lithium. 'Chúng tôi đã kỹ thuật vật liệu để có một cấu trúc tinh thể cụ thể', Jean de la Verpillière, giám đốc điều hành và người sáng lập của Echion nói. 'Bạn có thể nghĩ về nó như những đường hầm nhỏ ở tỷ lệ phân tử cho phép ion lithium di chuyển rất nhanh vào catot'.

Những viên pin XFC tùy chỉnh này chưa ra khỏi phòng thí nghiệm và vào thế giới thực. Sản xuất pin lithium-ion theo quy mô lớn là một thách thức, và các nhà sản xuất cần phải được thuyết phục để thêm vật liệu mới vào dây chuyền sản xuất của họ. Đó là lý do tại sao các công ty như Echion và Enevate đã ưu tiên phát triển vật liệu catot có thể 'thả' vào quy trình sản xuất pin hiện tại. Cả hai đều nói rằng họ đang đàm phán với các nhà sản xuất pin để tích hợp vật liệu catot của họ vào cell thương mại. 'Chúng tôi không cố gắng phát minh lại bánh xe', de la Verpilliére thêm.

Tuy nhiên, việc xây dựng một viên pin XFC giá rẻ có thể hoàn toàn không đòi hỏi các hóa chất catot mới. Tại NREL, Keyser và đồng nghiệp đang tập trung vào việc tối ưu hóa catot graphite, loại catot đã được sử dụng rộng rãi trong các ô tô điện. Keyser nói nhóm sử dụng mô hình máy tính để tối ưu hóa các đường đi ion lithium khi chúng di chuyển qua một catot và để ảnh hưởng đến con đường này bằng cách điều chỉnh kích thước và hình dạng của các hạt graphite.

Công nghệ nano kỹ thuật cấu trúc catot khó triển khai ở quy mô lớn, nhưng nhóm của Keyser cũng đang nghiên cứu các giải pháp cho pin XFC không đòi hỏi việc sửa đổi cấu trúc hoặc hóa chất của catot pin. Ví dụ, các thuật toán thông minh có thể được triển khai tại các trạm sạc để đảm bảo rằng một viên pin không bao giờ bị quá tải năng lượng trong quá trình sạc, điều này có thể dẫn đến lithium plating. Tesla đã làm điều này một cách có phần. Các trạm sạc và ô tô của hãng giao tiếp để trạm sạc cung cấp đúng lượng công suất cho tuổi và chủng loại của chiếc xe đang được sạc.

Pin XFC sẽ giúp vượt qua hạn chế về quãng đường lái và thời gian sạc lâu, được cho là hai trong những rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng rộng rãi của ô tô điện. Nhưng chúng cũng có thể đẩy nhanh quá trình điện hóa của các phương tiện khác, như xe buýt công cộng và xe tải dài hạn. Cả hai ngành đều đòi hỏi xe có thể hoạt động trong phần lớn ngày mà vẫn giữ đúng thời gian biểu chặt chẽ. Trong trường hợp của xe buýt, chúng có thể sử dụng các trạm sạc nhanh được đặt chiến lược để nạp năng lượng trong khi chờ đợi ở một điểm dừng. Người lái xe tải dài hạn sẽ không cần dự toán thêm thời gian để nạp năng lượng nếu nó mất thời gian như việc đổ nhiên liệu vào bình xăng.

Xe buýt, xe tải 18 bánh và xe cộ đi lại hàng ngày không phải là những phương tiện nổi tiếng về tốc độ, nhưng với sự xuất hiện của pin XFC, điều đó có thể sớm thay đổi - ngay cả khi chúng không bao giờ xuất hiện trên đường đua Formula E.

Những điều tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Bà mẹ đã đối đầu với Purdue Pharma về chiến lược quảng cáo của OxyContin
• Một biện pháp an toàn quan trọng trên internet đang cạn kiệt thời gian
• Covid-19 ảnh hưởng xấu đến ngành công nghiệp ô tô—và càng tồi tệ hơn đối với ô tô điện
• Đi đến xa (và hơn nữa) để bắt những kẻ gian marathon
• Bức tranh khác thường của những chú thú cưng hoàn toàn đối xứng
• 👁 Tại sao trí tuệ nhân tạo không thể hiểu được nguyên nhân và kết quả? Ngoài ra: Nhận tin tức AI mới nhất
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống tại nhà của bạn với những lựa chọn tốt nhất từ đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến chiếc đệm giá rẻ đến loa thông minh