Sạc Pin Siêu Nhanh Có Thể Khắc Phục Vấn Đề của Ô tô Điện?

Issam Mudawar, một giáo sư khoa học cơ khí tại Đại học Purdue, đã giải quyết những khẩn cấp liên quan đến nhiệt độ suốt 37 năm. Thường xuyên, chúng xảy ra theo một kịch bản. Bất kỳ ai nảy ra ý tưởng về một siêu máy tính, hoặc các hệ thống avionics mới cho máy bay tiêm kích, cuối cùng sẽ đối mặt với cùng một vấn đề: Điện tử tinh tế, đầy triệu tỷ transistor, tạo ra lượng nhiệt độ lớn. Vì vậy, những người mơ mộng đến với Mudawar, người nghiên cứu quản lý nhiệt độ chuyên nghiệp. “Dường như luôn có vẻ như là làm mát là điều cuối cùng mọi người nghĩ đến,” ông nói.

Một vài năm trở lại đây, Ford đã tiếp cận Mudawar với một vấn đề khác: cáp sạc. Giống như các nhà sản xuất ô tô khác, Ford đang tham gia cuộc đua để cung cấp các phương tiện điện nhanh chóng. Nhưng có một vấn đề khi di chuyển electron nhanh hơn: Nó tạo ra nhiệt độ. Nếu mục tiêu là sạc xe điện của bạn trong, ví dụ, năm phút, dòng điện thêm vào gặp khó khăn về nhiệt độ bên trong pin và bên ngoài. Dây cáp, đặc biệt, trở thành một nút chai siêu nóng.

Mudawar đã giải quyết một vấn đề mà thực sự chưa tồn tại. Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ đã xác định sạc nhanh cấp độ “cực kỳ” là thêm 200 dặm trong vòng 10 phút. Điều này có thể đạt được với các trạm sạc và cáp sạc hiện tại, khả năng của chúng đến nay chưa tối đa hóa, phần lớn do lo lắng về nhiệt độ của chính pin. Công việc của Mudawar trong khi đó dự kiến một tương lai khi điền đầy ô tô bằng electron có thể thậm chí sánh kịp với sự tiện lợi của bình xăng.

Gần đây, xu hướng trong các phương tiện điện là càng lớn càng tốt. Các nhà sản xuất ô tô hiện đang nhắm đến 400 dặm làm giảm căng thẳng về “tầm hoạt động,” trong khi đồng thời họ đang điện hóa những chiếc xe đường bộ của Mỹ—Chevy Silverados, Ford F-150s, Hummers. Các xe lớn cộng với yêu cầu tầm hoạt động lớn có nghĩa là pin toàn bộ cực kỳ lớn. Không ngạc nhiên, điều này đi kèm với một sự đánh đổi: Sạc những viên pin lớn đó mất thêm thời gian. Tùy chọn nhanh nhất có thể là lấy một sạc đầy đủ trong 30 hoặc 40 phút từ các bộ sạc đường cao tốc hiện đại, chiếm khoảng 5 phần trăm của việc sạc xe điện, theo DOE. Tuy nhiên, chủ yếu, những chiếc xe này được thiết kế cho những tài xế có thể cắm vào nhà và để pin cực kỳ lớn đó sạc đầy suốt cả đêm.

Kết hợp cả hai là khó khăn, giải thích Ahmad Pesaran, một chuyên gia lưu trữ năng lượng tại Viện Năng Lượng Tái Tạo Quốc gia. Một cụm từ như “sạc trong năm phút” có nghĩa khác nhau nếu bạn đang sạc một pin 200-kilowatt-hour, như trong một chiếc Hummer, so với pin 40-kwH trong một chiếc Nissan Leaf. Những viên pin lớn đó cần nhiều năng lượng hơn và chúng có rào cản cấu trúc làm cho việc sạc trở nên khó khăn. Điều này có thể đòi hỏi bộ sạc và chiến lược pin mới, cáp mới tinh tế, thậm chí cả nâng cấp đường truyền truyền tải điện năng của chúng để chúng có thể xử lý một tăng đột ngột trong nhu cầu. “Tôi đặt dấu hỏi về sự khôn ngoan của việc tại sao chúng ta cần phải có tầm hoạt động 500 dặm trong một chiếc ô tô điện và cũng muốn sạc nhanh trong năm phút,” ông nói. “Bạn muốn đi đâu? Bạn muốn làm điều đó bao nhiêu lần?” Nhưng, ông thêm vào, có thể nói là không tránh khỏi.

Hiện tại, hầu hết các chiếc xe không thể tận dụng được các trạm sạc mạnh nhất mà chúng ta đã có, theo Chao-Yang Wang, một nhà nghiên cứu pin tại Đại học Penn State. Những lý do chủ yếu nằm trong pin chính nó, đặc biệt là một hiện tượng gọi là lắng sạch lithium. Khi pin sạc, ion lithium nằm bên trong một anot được làm bằng than chì. Để đóng gói thêm năng lượng vào pin, vật liệu này đã được thiết kế đặc biệt dày để có thể giữ nhiều ion hơn. Nhưng điều này trở thành một rào cản cho việc sạc. Khi dòng điện trở nên mạnh mẽ hơn, những ion đó không thể vào bên trong vật liệu anot dày nhanh chóng. Thay vào đó, chúng tích tụ trên bề mặt của nó dưới dạng kim loại lithium—nó chạm. Và một khi điều đó xảy ra, không có đường trở lại. Pin dần mất khả năng tiếp cận những ion đó, và vì vậy mất khả năng sạc đầy đủ.

Nhiều phòng thí nghiệm và các công ty khởi nghiệp đã phát triển các giải pháp tiềm năng cho vấn đề đó, bao gồm việc thay đổi anot thành silic hoặc kim loại lithium, thay vì than chì. Giải pháp của Wang, được công bố năm ngoái trên Nature Energy, là thêm nhiệt độ vào phương trình. Một dải mỏng của lá nickel bên trong pin nhanh chóng hâm nóng pin lên 60 độ C—nhiệt độ mà ion lithium di chuyển nhanh hơn để tìm chỗ ngồi trong anot. Điều này cho phép dòng điện cao hơn chảy vào pin mà không gây ra lắng sạch, giảm đi những phút quý giá từ quá trình sạc.

Wang mơ ước về việc sạc pin trong vòng 10 phút cho một pin có dung lượng từ 40 đến 50 kW. Điều này đồng hành với định nghĩa sạc cực kỳ của DOE—đủ năng lượng để có được 200 dặm tầm hoạt động trong một chiếc ô tô hiệu quả, mặc dù chỉ khoảng một nửa năng lượng được lưu trữ bên trong một chiếc Tesla cao cấp, hoặc một phần tư dung lượng pin của mẫu Silverado sắp tới. Và đối với Eric Rountree, trưởng phòng phát triển kinh doanh của EC Power, một công ty thương mại hóa công nghệ của Wang, đó không phải là điều tồi tệ. “Một trong những lo ngại chúng tôi có là nơi mà cảnh quan ô tô điện hiện tại đang hướng đến là đối lập với nơi chúng ta nên đi,” ông nói. “Chúng tôi muốn sử dụng năng lượng tái tạo tốt hơn.” Điều đó có nghĩa là những chiếc xe tạo ít gánh nặng hơn cho lưới điện và sử dụng ít tài nguyên tự nhiên trong pin của chúng.

Ở nơi khác trên thế giới, các phương tiện có tầm hoạt động ngắn đã trở nên phổ biến, ngay cả khi không có sạc nhanh. Anh ấy chỉ đến ví dụ của Trung Quốc, nơi các xe điện nhỏ được trang bị bởi pin nhỏ hơn thường xuyên là sản phẩm bán chạy nhất, và các nhà sản xuất ô tô như Tesla đã có bước tiến đáng kể trong việc đầu tư vào pin phốt pho sắt có chứa ít năng lượng hơn nhưng yêu cầu ít nguyên liệu khan hiếm như coban và niken hơn so với các thiết kế tối ưu hóa tầm hoạt động nhất.

Ở Mỹ, cũng có khả năng có đối tượng khách hàng cho các phương tiện có tầm hoạt động thấp, đặc biệt là với sạc nhanh trong tầm nhìn. “Những người ở căn hộ không có sạc ở nhà,” Pesaran của NREL nói. “Họ chắc chắn muốn có một trạm sạc giúp họ sạc đầy trong năm hoặc 10 phút.” Bạn mang chiếc ô tô điện của mình đến một nơi thuận tiện—trạm xăng chuyển đổi góc phố từ nhà bạn, hoặc trên đường đến công việc, và đổ nó đầy electron.

Jessika Trancik, một giáo sư nghiên cứu về hệ thống năng lượng tại MIT, cho biết tầm hoạt động có lẽ sẽ tiếp tục là mối quan tâm của người mua ô tô điện. Bất kỳ loại công nghệ sạc nhanh nào được phát triển, việc xây dựng chúng sẽ mất thời gian. Điều quan trọng là phải chiến lược về nơi chúng được lắp đặt. “Một trong những lý do bạn không muốn lắp đặt máy sạc nhanh có sẵn ở mọi nơi là chi phí,” cô nói. Cô nói rằng sạc nhanh hơn không nên có nghĩa là giảm đầu tư vào sạc chậm có sẵn cho tất cả mọi người—như máy sạc ven đường cho những người sống trong căn hộ. Điều này làm tăng khả năng tiếp cận ô tô điện và có thể là lợi ích cho lưới điện nữa.

Pesaran nghi ngờ rằng các nhà sản xuất ô tô sẽ tiếp tục đẩy mạnh về tốc độ sạc cực kỳ—tăng thêm tầm hoạt động trong thời gian ngắn—điều này đã được quảng bá để vượt qua những người mua ô tô điện nghi ngờ. Đó là lý do tại sao cáp sạc chịu nhiệt độ của Mudawar có thể quan trọng. Phòng thí nghiệm của ông đã tiếp cận vấn đề quá nhiệt bằng những gì được biết đến là “làm mát hai pha.” Hệ thống thông thường dựa vào chất lỏng chảy qua một lớp cách nhiệt nhận nhiệt từ cáp sạc. Thiết kế của ông tương tự, ngoại trừ việc nó kết hợp sự sôi—chỉ một chút, tại điểm gặp giữa chất làm mát và cáp. Những bong bóng nhỏ này, được phép ngưng tụ lại thay vì được phát ra dưới dạng hơi, dịch thành cấp độ làm mát lớn, cho phép cáp xử lý khoảng năm lần dòng hiện của một máy sạc Tesla Supercharger tiên tiến.

Nhưng nó vẫn chỉ là một mô hình thử nghiệm giới hạn trong trạm phòng thí nghiệm và trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí International Journal of Heat and Mass Transfer năm ngoái. Mudawar chưa kiểm tra khả năng chịu dòng hiện của cáp trên ô tô—pin chưa sẵn sàng cho loại dòng hiện đó. Một vấn đề là sự mất cân bằng nhiệt độ tạo ra bởi khả năng sạc cực kỳ lớn như vậy. Sạc nhanh pin ô tô lớn sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt trong vài phút. Nhưng nó sẽ sử dụng năng lượng đó để vận hành động cơ ở tốc độ chậm hơn nhiều—trong suốt giờ hoặc có thể là ngày—tạo ra ít nhiệt độ hơn nhiều. Vậy liệu có đáng để đặt một loạt các thành phần làm mát mới trên ô tô chỉ để sạc trong khoảng năm đến 10 phút không? Hiện nay, hầu hết trọng lượng của một bộ pin không phải là tế bào pin, mà là bao bì, điện tử và thiết bị làm mát.

Có những giải pháp khác, Mudawar chỉ ra. Một số người đang nghiên cứu ý tưởng tiêm chất làm mát vào xe trong quá trình sạc, làm lạnh bộ pin trong khi sạc mà không làm tăng trọng lượng của ô tô. Nhưng điều đó sẽ đòi hỏi suy nghĩ lại về cách thiết kế ô tô. Điều đó, cùng với mọi thứ từ pin đến cáp, đầu cắm và dây truyền tải sẽ cần được suy nghĩ lại. Tất cả đều cần đối mặt với nhiệt độ, chú ý đến Mudawar, người vừa công bố một trung tâm mới tại Purdue để quản lý nhiệt độ sạc nhanh. “Các công nghệ hiện nay sẽ không đủ khả năng đối mặt với những yêu cầu mới đó,” ông nói. Nói cách khác, đừng để vấn đề làm mát làm cuối cùng.

• 📩 Thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học, và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Họ đã “gọi đến để giúp đỡ.” Sau đó, họ đánh cắp hàng nghìn
• Nhiệt độ cực kỳ cao trong đại dương đã mất kiểm soát
• Hàng nghìn “chuyến bay ma” đang bay trống rỗng
• Cách loại bỏ đồ không mong muốn của bạn một cách đạo đức
• Bắc Triều Tiên đã hack anh ta. Vì vậy, anh ta đã làm ngừng hoạt động internet của họ
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để khỏe mạnh? Kiểm tra những lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất