Những thách thức của pin xe điện trong quá trình sử dụng

Vấn đề lão hóa của pin xe điện

Đối với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống, người dùng thường quan tâm nhiều đến sức mạnh của khối động cơ thì đối với xe điện, hệ thống pin lại được ví như “trái tim” quyết định khả năng vận hành của toàn bộ chiếc xe.

Một báo cáo của JMK Research and Analytics cho thấy tùy thuộc vào thành phần hóa học, kích thước, cấu hình và mục đích sử dụng, một hệ thống pin lithium-ion trên xe điện có thể vận hành trong khoảng 500 đến hơn 10.000 chu kỳ sạc.

Đáng chú ý, sau sự cố xe điện bốn bánh chở khách du lịch bốc cháy khi sạc trong đêm tại Thanh Hóa, PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc - Giám đốc Chương trình đào tạo kỹ thuật ô tô, Đại học Bách Khoa Hà Nội đặt ra một số nhận định về thách thức của bộ phận này trong quá trình vận hành.

Ông cho biết, theo thời gian sử dụng, pin sẽ rơi vào tình trạng lão hóa và được phân thành hai loại. Đầu tiên, quá trình lão hóa liên quan đến sự xuống cấp có thể theo dõi được.

Đối với loại lão hóa thứ hai, sẽ không có bất kỳ dấu hiệu cụ thể nào cho đến khi xảy ra sự cố lớn hoặc thay đổi nhanh chóng về hiệu suất. Trường hợp này vô cùng nguy hiểm khi phần lớn hệ thống pin được sản xuất để trang bị cho các mẫu xe điện hiện nay là pin Lithium-ion.

Để cung cấp năng lượng vận hành xe, cần hàng ngàn viên pin lithium-ion kết hợp lại trong một bộ pin. Theo thời gian, các hạt lithi cực nhỏ sẽ tạo ra cấu trúc sợi được gọi là dendrite trên cực dương carbon. Khi cấu trúc này đủ lớn, hiện tượng đoản mạch có thể xảy ra và làm nhiệt độ tăng đột ngột, dẫn đến cháy nổ pin.

Vấn đề đảm bảo an toàn đối với pin cần phải được giải quyết triệt để bởi các nhà sản xuất ô tô trên thế giới. Họ nên đảm bảo bằng cách cải thiện chất lượng chế tạo ra các cell pin, và sẽ phải kiểm soát chặt chẽ từ khâu sản xuất vật liệu cho đến đóng thành các cell pin.

Tuổi thọ hữu ích của pin xe điện

Theo ông Đàm Hoàng Phúc, sự suy giảm dung lượng hữu dụng theo thời gian sử dụng là yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin xe điện. Các yếu tố ảnh hưởng nghiêm trọng đến dung lượng hữu dụng của pin bao gồm nhiệt độ môi trường, cường độ dòng phóng, cường độ dòng sạc (sạc nhanh), độ sâu xả (DoD), khoảng thời gian giữa các chu kỳ sạc đầy.

"Nếu điện áp của sạc cao hơn điện áp sạc tối đa thì pin sẽ bị quá tải. Nếu nó thấp hơn điện áp phóng giới hạn, thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện quá mức. Do đó, có hai ngưỡng tới hạn, được xác định dựa trên loại pin Li-ion. Đối với loại pin LiCoO2, điện áp tối đa là 4,35v và LiFePO4 là 3,7v".

Pin xe điện đã được thiết kế để hoạt động trong phạm vi chấp nhận được, vì vậy bất kỳ trường hợp sạc/xả quá mức nào cũng có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp của pin và rút ngắn tuổi thọ hữu ích của pin.

Tuy nhiên, ngay cả trong phạm vi chấp nhận được, tốc độ xuống cấp của pin vẫn phụ thuộc vào cường độ dòng sạc hoặc phóng. Thông thường, cường độ dòng phóng phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện vận hành. Trong hầu hết các trường hợp, các nhà thiết kế xe điện đặt ngưỡng để giới hạn cường độ dòng phóng tối đa. Khi sạc, cường độ dòng sạc vẫn tương đối ổn định. Cường độ dòng sạc cao hơn có thể sạc pin nhanh hơn. Mặt khác, nó cũng có thể làm giảm tuổi thọ của pin. Hệ thống quản lý pin (BMS) tốt sẽ điều khiển được sự cân bằng giữa tốc độ sạc và tác động của tốc độ này đối với tuổi thọ của pin.

Bên cạnh đó, quá trình sạc pin rất "nhạy cảm" với nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ thấp làm giảm tuổi thọ của pin do điện trở bên trong tăng lên. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn, không chỉ tuổi thọ của pin giảm mà nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng cũng cao hơn.

Những ảnh hưởng đến với môi trường

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính, doanh số bán xe điện toàn cầu có thể đạt 47 triệu chiếc mỗi năm vào năm 2030. Điều này có nghĩa, ngành công nghiệp xe điện sẽ cần dùng đến 1,5 triệu tấn lithium, 1,5 triệu tấn than chì, 1 triệu tấn niken và 500.000 tấn mangan.

Tuy nhiên, thế giới mới chỉ sản xuất được ít hơn 1/3 số nguyên liệu kể trên và mỗi mỏ khoáng sản cũng chỉ có trữ lượng giới hạn. Do đó, trước nhu cầu ngày càng cao của thị trường, các nguyên liệu này ngày càng trở nên khan hiếm và đắt đỏ.

Một hệ thống pin lithium trên xe ôtô điện chứa hàng nghìn tế bào Li-ion hoạt động cùng nhau, tương ứng hàng nghìn chiếc pin nhỏ lẻ hợp lại. Do đó, chỉ trong vòng 10 năm tới, sẽ có hàng tỷ pin Lithium hết hạn sử dụng. Vấn đề tái chế như thế nào cho hiệu quả là bài toán đang làm đau đầu giới chức trách và các nhà sản xuất trên toàn thế giới.

Để vận hành xe điện sẽ tiêu thụ một lượng lớn điện năng. Hiện tại, nhiệt điện than vẫn chiếm tỷ trọng khá lớn, ngay cả tại các quốc gia phát triển như Mỹ (16,62%), EU (16,5%). Số liệu của tổ chức tư vấn năng lượng Ember cho thấy, tại các nước châu Á, tỷ trọng nhiệt điện than thậm chí còn lớn hơn nhiều như: Trung Quốc (64%), Việt Nam (45,6%), Indonesia (61%), Thái Lan (20%). Như vậy, xe điện vẫn gián tiếp gây phát thải carbon ra môi trường.

Xem thêm:

Tin liên quan

Trung Quốc "nắm đằng chuôi" chuỗi cung ứng pin xe điện