Những thách thức và giải pháp trong công nghệ pin
Giáo sư Rachid Yazami, Giám đốc sáng lập và Giám đốc Công nghệ của KVI Holdings (Singapore), cũng là đồng Chủ nhân Giải thưởng VinFuture 2023, đã chia sẻ về những hạn chế hiện tại của pin Lithium-ion (LIB), công nghệ pin phổ biến nhất hiện nay. Ông chỉ ra rằng mặc dù LIB đã có những tiến bộ đáng kể trong những năm qua, nhưng vẫn còn nhiều thách thức.
Một trong những vấn đề lớn nhất là vấn đề an toàn. Pin Lithium-ion có thể bị quá nhiệt và thậm chí phát nổ trong một số điều kiện nhất định, gây ra mối lo ngại về an toàn cho người dùng. Giáo sư Yazami nhấn mạnh rằng an toàn pin là ưu tiên hàng đầu, cần phải phát triển các công nghệ pin không chỉ hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn tuyệt đối.
Ngoài ra, thời gian sạc lâu cũng là một hạn chế lớn của pin Lithium-ion. Hiện nay, việc sạc đầy một chiếc xe điện có thể mất vài giờ, gây bất tiện cho người dùng. Theo Giáo sư Yazami, thời gian sạc lâu là một trong những rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng rộng rãi xe điện. Giới nghiên cứu cần phải tìm ra giải pháp để rút ngắn thời gian sạc xuống mức tương đương với việc đổ xăng thông thường.
Giáo sư Yazami cũng chỉ ra rằng nhu cầu về pin Lithium-ion đang tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là trong bối cảnh thị trường xe điện toàn cầu đang bùng nổ. Ông dự đoán rằng nhu cầu về LIB sẽ đạt 4.700 GWh vào năm 2030. Điều này đặt ra một thách thức lớn nhưng cũng là một cơ hội to lớn cho các nhà khoa học và kỹ sư để phát triển những công nghệ pin mới, hiệu quả và bền vững hơn.
Để giải quyết những thách thức này, Giáo sư Yazami đã giới thiệu công nghệ sạc mới dựa trên công nghệ Vôn-ampe Không Tuyến Tính (NLV). Công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại khả năng sạc nhanh hơn mà không làm giảm tuổi thọ pin, đồng thời cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng. Giáo sư Yazami khẳng định Công nghệ NLV là một bước tiến quan trọng trong việc giải quyết vấn đề sạc nhanh cho pin Lithium-ion. NLV cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của xe điện và các ứng dụng năng lượng khác trong tương lai.
Vật liệu mới nâng cấp cho pin Lithium-ion
Giáo sư Xuejie Huang, một chuyên gia hàng đầu về pin từ Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã mang đến hội thảo những thông tin thú vị về các vật liệu mới đang được phát triển để nâng cấp pin Lithium-ion. Ông nhấn mạnh rằng việc tìm kiếm và phát triển vật liệu mới là chìa khóa để mở ra tiềm năng thực sự của công nghệ pin, mang lại hiệu suất cao hơn, an toàn hơn và bền vững hơn.
Một trong những trọng tâm nghiên cứu hiện nay là phát triển các vật liệu cathode thế hệ mới. Giáo sư Huang đã giới thiệu về NCM90, một loại vật liệu cathode tiên tiến có mật độ năng lượng cao hơn, độ ổn định nhiệt được cải thiện và độ bền cơ học cao hơn so với các vật liệu cathode truyền thống. Với mật độ năng lượng cao hơn, pin sử dụng NCM90 có thể cung cấp phạm vi di chuyển xa hơn cho xe điện, đồng thời cải thiện độ an toàn và tuổi thọ của pin.
Ngoài ra, bài thuyết trình của Giáo sư Huang cũng đề cập đến việc sử dụng silicon trong anode của pin Lithium-ion. Silicon có khả năng lưu trữ lithium cao hơn nhiều so với graphite, vật liệu anode truyền thống, do đó có thể làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin. Tuy nhiên, silicon cũng có một số thách thức về độ bền và ổn định trong quá trình sạc và xả. Giáo sư Huang cho biết các nhà nghiên cứu đang nỗ lực để giải quyết những thách thức này và tin rằng silicon sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển pin Lithium-ion thế hệ tiếp theo.
Bên cạnh cathode và anode, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu các vật liệu mới cho chất điện phân và các thành phần khác của pin. Mục tiêu là tạo ra những loại pin có hiệu suất cao hơn, an toàn hơn, tuổi thọ dài hơn và thân thiện với môi trường hơn.
Thiết kế điện cực và quản lý nhiệt độ: Nền tảng cho công nghệ sạc nhanh
Ông Dương Quang Tiến, Kỹ sư trưởng về Pin tại Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nhấn mạnh rằng mặc dù sạc nhanh đem đến nhiều lợi ích về hiệu suất, nhưng cũng đặt ra những yêu cầu kỹ thuật khắt khe đối với thiết kế pin, đặc biệt là về mặt điện cực và quản lý nhiệt.
Ông Tiến nhận định sạc nhanh là một thách thức. Khi đẩy nhanh tốc độ sạc, ta cũng phải đối mặt với những vấn đề như mạ lithium và dendrite gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin. Mạ lithium xảy ra khi lithium tích tụ không đều trên bề mặt anode trong quá trình sạc nhanh, dẫn đến giảm hiệu suất và thậm chí là đoản mạch. Dendrite phát triển, một hiện tượng lithium hình thành các cấu trúc giống như cây kim xuyên qua chất điện phân, cũng có thể gây đoản mạch và làm hỏng pin.
Để giải quyết những vấn đề này, ông Tiến đã đề xuất một số giải pháp kỹ thuật. Đầu tiên là giảm độ quanh vòng của điện cực, giúp phân bố dòng điện đều hơn và giảm nguy cơ mạ lithium. Thứ hai là cải thiện chất điện phân để tăng cường khả năng dẫn ion lithium và ngăn ngừa dendrite. Cuối cùng là sử dụng các giao thức sạc nhanh dựa trên mô hình, cho phép kiểm soát chính xác quá trình sạc và giảm thiểu các tác động tiêu cực.
Bên cạnh thiết kế điện cực, quản lý nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả cho quá trình sạc nhanh. Sạc nhanh tạo ra một lượng nhiệt lớn, có thể làm tăng nhiệt độ pin và gây ra các vấn đề về an toàn. Ông Tiến nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển các hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ pin trong quá trình sạc nhanh. Theo ông Tiến, quản lý nhiệt hiệu quả là chìa khóa để đạt được sạc nhanh an toàn và kéo dài tuổi thọ pin.
Ngoài ra, ông Tiến cũng đề cập đến việc sử dụng các công cụ mô phỏng và trí tuệ nhân tạo (AI) để hỗ trợ thiết kế điện cực và quản lý nhiệt. Các công cụ này có thể giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư tối ưu hóa thiết kế pin, dự đoán các vấn đề tiềm ẩn và phát triển các giải pháp hiệu quả hơn.
