Pin là một trong những phương thức lưu trữ điện năng phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt trong các hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) và xe điện. Công nghệ pin đã có những bước tiến lớn, từ dung lượng ngày càng cao đến khả năng sạc – xả hiệu quả hơn, giúp kéo dài vòng đời và mở rộng phạm vi ứng dụng. Trong tin bài này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video từ kênh Most Extreme Innovation, trình bày tổng quan về một số công nghệ pin đang được sử dụng hiện nay.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F. 

Công nghệ pin Lithium-ion
Lithium Ion là công nghệ pin được sử dụng phổ biến trong ứng dụng BESS và xe điện hiện nay. Loại pin này thực chất là phiên bản mở rộng từ pin dùng trong thiết bị điện tử tiêu dùng (consumer electronics). Thay vì chỉ sử dụng một đơn vị pin riêng lẻ như trong điện thoại thông minh, bộ pin xe điện gồm hàng nghìn cell pin lithium-ion kết hợp lại, cung cấp đủ năng lượng để vận hành phương tiện. Pin lithium-ion có mật độ năng lượng (1) cao hơn nhiều so với pin axit chì hay niken-cadmium truyền thống, giúp chúng tích trữ điện lớn hơn và tuổi thọ cũng kéo dài hơn. Dù lithium là kim loại nhẹ nhất, nhưng pin lithium-ion không chứa kim loại lithium dạng nguyên chất mà sử dụng các ion lithium, có thể được điều khiển để tích hoặc xả điện.
(1) Mật độ năng lượng (energy density) là lượng năng lượng mà pin có thể lưu trữ trên một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích.

Mỗi bộ pin gồm một điện cực dương, được gọi là cathode (thường làm từ hợp chất lithium), điện cực âm, được gọi là anode (thường được làm từ graphite) và chất điện phân dạng lỏng. Khi được sạc, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm; khi xả điện, quá trình này diễn ra ngược lại.

Tuy nhiên, công nghệ này tồn tại nhiều vấn đề. Nguy hiểm nhất là nguy cơ quá nhiệt, phát nổ hoặc cháy trong một số điều kiện nhất định. Các hãng sản xuất đã phải đầu tư lớn vào các tính năng an toàn, như cơ chế làm mát để kiểm soát nhiệt độ, nhưng vì pin chứa thành phần lỏng và thường xuyên biến đổi nhiệt khi vận hành, rủi ro vẫn luôn tồn tại.

Tuổi thọ sử dụng của pin cũng là một vấn đề. Chẳng hạn, pin điện thoại thường chỉ hoạt động hiệu quả từ một đến hai năm (hoặc dài hơn tùy theo điều kiện sử dụng) trước khi đạt đến giới hạn số lần sạc-xả. Các hãng xe thường bảo hành pin tối thiểu tám năm (hoặc tính theo số km), và ước tính hiện nay cho thấy pin có thể sử dụng từ 10 đến 20 năm. Dù vậy, pin vẫn sẽ cần thay thế sau thời gian dài sử dụng, làm dấy lên lo ngại về rác thải. Việc sử dụng xe điện vì môi trường nhưng lại tạo thêm pin cũ cần xử lý là điều không mong muốn. Ngoài ra, pin lithium vẫn bị giới hạn về phạm vi hoạt động và tốc độ sạc. Với các chuyến đi dài, thời gian sạc có thể kéo dài, trong khi đổ xăng chỉ mất vài phút, khiến xe điện khó cạnh tranh về mặt tiện lợi.

Những tiến bộ công nghệ trong những năm gần đây đã giúp pin Lithium-ion phát triển vượt bậc, từ việc tăng dung lượng lưu trữ, cải thiện tốc độ sạc cho đến tăng cường các cơ chế bảo vệ an toàn. Mặc dù vẫn còn tồn tại những giới hạn vốn mang tính đặc thù của pin sạc, Lithium-ion hiện vẫn là công nghệ pin tiên tiến, ổn định và đáng tin cậy nhất cho phần lớn ứng dụng hiện nay.

Các công nghệ pin mới đầy triển vọng
Hiện nay, có hai công nghệ pin tiềm năng có thể thay thế lithium-ion cho xe điện trong tương lai: pin nhiên liệu hydro và pin thể rắn (solid-state). Xe chạy bằng hydro đã xuất hiện trên thị trường và mang đến một số lợi thế đáng kể. Về trải nghiệm sử dụng, chúng vận hành gần giống xe xăng truyền thống – bình chứa được nạp đầy hydro lỏng, đưa vào pin nhiên liệu cùng với oxy, qua phản ứng hóa học sẽ chuyển hóa năng lượng thành động năng cho xe và chỉ thải ra hơi nước. Thời gian nạp nhiên liệu chỉ vài phút và quãng đường đi được sau mỗi lần nạp cũng vượt trội so với xe chạy bằng pin lithium.

Tuy vậy, pin nhiên liệu hydro cũng gặp nhiều thách thức. Đầu tiên là chi phí sản xuất cả bộ pin và hệ thống trạm nạp hydro rất cao, đòi hỏi đầu tư lớn ngay từ đầu. Một vấn đề khác là hiệu quả năng lượng: xe chạy hydro tiêu thụ năng lượng cao gấp ba lần so với xe chạy bằng pin lithium trên mỗi dặm di chuyển, và việc sản xuất hydro lỏng, chủ yếu từ khí thiên nhiên, lại thải ra lượng khí nhà kính đáng kể, có thể làm giảm tác động tích cực về môi trường. Các phương pháp tạo hydro sạch như điện phân nước hiện vẫn còn quá tốn kém để áp dụng rộng rãi. Công nghệ này chỉ thực sự hiệu quả nếu nhu cầu đủ lớn để sản xuất hydro không phát thải trở nên khả thi.

Pin thể rắn – động lực mới cho xe điện
Công nghệ pin có sự phát triển hấp dẫn hàng đầu hiện nay chính là pin thể rắn (solid-state battery) (2). Dù vẫn chưa sẵn sàng để sản xuất hàng loạt, công nghệ này hứa hẹn sẽ tạo ra bước ngoặt cho ngành xe điện.
(2) Pin thể rắn là loại pin trong đó chất điện phân ở giữa hai cực được thay thế bằng vật liệu rắn (gốm, thủy tinh, polyme rắn…) thay vì chất điện phân dạng lỏng như ở pin lithium-ion truyền thống. Việc dùng chất điện phân rắn giúp pin an toàn hơn, hạn chế rò rỉ, ít nguy cơ cháy nổ và cho phép sử dụng điện cực năng lượng cao hơn.

Samsung là một trong những doanh nghiệp dẫn đầu trong lĩnh vực này, với các loại pin thể rắn giúp gia tăng đáng kể quãng đường đi được so với pin hiện tại trước khi cần sạc. Pin thể rắn đã được ứng dụng từ lâu trong các thiết bị nhỏ như máy tạo nhịp tim (pacemaker) hoặc thẻ RFID, nhưng trước đây chưa thể sạc lại được. Đột phá nằm ở việc tăng độ dẫn ion của chất điện phân rắn, đủ để pin có thể sạc-xả hiệu quả. Nhờ vậy, kích thước pin giảm một nửa, cho phép bố trí số lượng cell pin nhiều hơn trong cùng một không gian trên xe.

Không chỉ vậy, các nhà nghiên cứu còn dự đoán pin thể rắn có thể chịu được hơn 1.000 chu kỳ sạc-xả trước khi cần thay mới. Công nghệ pin này có độ ổn định cao hơn, không cần hệ thống làm mát phức tạp như đối với pin lithium-ion, nhẹ hơn nên nâng cao hiệu suất và vận hành. Chúng cũng an toàn hơn do không có chất lỏng, giảm nguy cơ tai nạn khi va chạm mạnh.

Nhiều hãng sản xuất xe lớn tin rằng pin thể rắn chính là tương lai của công nghệ xe điện và sẽ là động lực để thị trường đại chúng chấp nhận xe điện rộng rãi. Tuy nhiên, đến nay pin thể rắn vẫn chưa đạt đủ tiêu chí để triển khai trên quy mô lớn, do giới khoa học vẫn đang nghiên cứu thành phần hóa học tối ưu cho chất điện phân rắn, đồng thời chi phí sản xuất còn quá cao. Nhiều khả năng, pin thể rắn sẽ xuất hiện trước tiên trên các dòng xe cao cấp, và khi đã chứng minh được hiệu quả thực tiễn, giá thành sẽ dần hạ xuống, giúp đại đa số người dùng có thể tiếp cận.

Triển vọng xe điện trong tương lai
Với những công nghệ pin ấn tượng đang phát triển, ngành công nghiệp ô tô chắc chắn sẽ chuyển mình sang hướng điện hóa. Những tiến bộ liên tục trong lĩnh vực pin đang từng bước giải quyết các trở ngại lớn nhất và mở ra tương lai phát triển mạnh mẽ cho xe điện.

Tiếp tục khám phá chuyên đề BESS & Pin trên trang technologyMAG
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng, từ điện mặt trời, điện gió cho đến các ứng dụng công nghiệp và lưới điện hiện đại. Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực bao gồm nhiều khái niệm, công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cần được tìm hiểu theo từng bước.

Để giúp độc giả thuận tiện tra cứu và theo dõi toàn bộ chuỗi nội dung, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng Trang tổng hợp chuyên đề BESS & Pin, bao gồm các nhóm bài viết về tổng quan công nghệ, cấu tạo hệ thống, pin lưu trữ, tiêu chuẩn kỹ thuật, ứng dụng thực tế và các xu hướng mới trong ngành.

Tìm hiểu thêm chuyên đề BESS & Pin tại đây: www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-bess-pin/

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Most Extreme Innovation