Công nghệ pin tối ưu cho xe máy điện?

Ở Hà Nội, chỉ còn chưa đầy một năm nữa, ít nhất là toàn bộ xe máy xăng mà người dân trong khu vực vành đai 1 hiện đang sử dụng (chừng gần nửa triệu chiếc), phải bị loại bỏ hoặc thay thế bằng xe máy điện (XMĐ). Bởi thời gian rất gấp trong khi hệ thống giao thông công cộng còn chưa đáp ứng đủ nhu cầu đi lại, người dân vẫn rất cần phương tiện cá nhân, nên ‘thay thế’ sẽ là khả năng chủ đạo.

Do đó, ngay sau các công bố của Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh, dư luận xã hội đặc biệt lo lắng về pin, nguồn nuôi của XMĐ. Lo lắng tập trung vào các điểm chính: độ an toàn, hạ tầng cùng thời gian nạp điện, giá cả, và việc xử lý pin chết.

Những lo lắng này là hoàn toàn có cơ sở. Cháy nổ pin xảy ra hằng ngày. Trên thế giới từng có những vụ gây thiệt hại nhiều tỷ đô la như vụ nổ pin của Dream Linear Boeing 787 (năm 2013) hay của Samsung Galaxy Note 7 (năm 2016). Chưa nơi nào ở ta có được hệ thống sạc điện công cộng đủ thuận tiện, nhanh và an toàn (tương đương hệ thống trạm xăng). Giá cả phụ thuộc vào loại pin, nhưng nói chung là đắt, chiếm phần đáng kể trong tổng giá của chiếc XMĐ và càng đắt khi so với thu nhập trung bình hiện nay của người dân.

Ở nước ta, cho đến nay chưa có công nghiệp tái chế pin. Các làng tái chế thủ công như ở Hưng Yên hay Bắc Ninh, không những không đáp ứng được nhu cầu thực tế mà còn cực kỳ độc hại, tác động rất xấu tới môi trường sinh thái. Giải tỏa các lo lắng này sẽ góp phần tích cực để có được sự đồng thuận của người dân trong quá trình chuyển đổi xe máy xăng sang XMĐ.

Các dòng pin truyền thống

Pin dùng cho XMĐ là loại pin có thể nạp-xả nhiều lần (rechargeable battery hay secondary battery). Cho đến cách đây vài năm, trên thị trường có ba dòng pin chính dùng cho XMĐ [2]. Dòng xuất hiện sớm nhất là pin chì-axit (lead-acid battery), do Gaston Planté (Pháp) sáng chế lần đầu năm 1859. Pin này có các điện cực bằng chì (Pb) và chì-dioxide (PbO2), còn LE là a-xit H2SO4.

Tiếp theo là dòng pin NiCd, do Waldemar Jungner (Thụy Điển) sáng chế lần đầu năm 1899. Pin NiCd có các điện cực bằng kim loại cadmium (Cd) và Nickel oxide-hydroxide (NiO(OH)), còn LE là potassium hydroxide (KOH). Hai dòng lead-acid và NiCd đã thống trị thị trường pin hơn một thế kỷ.

Loại thứ ba là pin Lithium-ion (Lithium-ion Battery – LIB) do John Goodenough (Mỹ), Stanley Wittingham (Mỹ) và Akira Yoshina (Nhật) [3] phát minh ra vào những năm 1970 - 1980 và được hãng SONY (Nhật) thương mại hóa lần đầu vào năm 1991. Khác với hai dòng pin trước, LIBs hoạt động theo một cơ chế, thường gọi là ‘rocking chair’, trong đó các ion Li+ dịch chuyển qua lại giữa hai điện cực giống như quả bóng lăn đi lăn lại trên một chiếc ghế (chair) đu đưa (rocking). LIB phổ biến nhất có vật liệu cathode là LiCoO2, anode là graphite, và LE là một muối Li, như LPF6, tan trong một dung môi hữu cơ (loại pin này thường gọi tắt là LCO).

Bảng dưới đây so sánh các tính năng cơ bản của ba dòng pin vừa kể (cùng với pin Na-ion, SIB, sẽ thảo luận ở phần sau).

Ngoài ra, lead-acid rất dễ tái chế, có thể lấy lại gần như 100% chì, nhưng lưu ý là chì rất độc hại nếu khuyếch tán vào môi trường và thâm nhập vào máu, còn H2SO4 cũng độc; Pin NiCd có thể tái chế nhưng phải xử lý Cd rất cẩn thận vì kim loại này cực độc; Công nghệ tái chế LIBs rất phức tạp, đang được phát triển; Còn SIBs dễ tái chế mà không tác động xấu tới môi trường.

Bảng trên cho thấy LIBs vượt trội so với Lead-acid và NiCd về hầu hết tính năng. Mật độ năng lượng (energy density) là lượng năng lượng (Wh) mà pin lưu trữ được tính trên một đơn vị khối lượng (kg) hay đơn vị thể tích (l) của pin. Vòng đời (cycle life) là số chu kỳ ‘nạp-xả’ (cycle) mà pin có thể cung cấp kể từ khi bắt đầu sử dụng đến khi dung lượng của nó giảm xuống chỉ còn 80% dung lượng ban đầu. Hiệu quả (efficiency) là tỷ lệ giữa lượng năng lượng có thể lấy ra và lượng năng lượng đã nạp vào. Thời gian sạc được tính là thời gian nạp điện để dung lượng của pin tăng từ mức thấp nhất đến mức cao nhất có thể theo chỉ dẫn của nhà sản xuất (hai mức này phụ thuộc vào loại pin, thường ≤ 20% và ≥ 80%). 

Nói chung, không nên để pin cạn dưới 20% và không nên sạc đầy quá 80%. Pin nào cũng bị thoái hóa, dung lượng giảm dần (%/tháng) ngay cả khi không sử dụng, đó là hiện tượng tự xả. Giá của pin được tính theo tổng giá bộ pin (USD) chia cho lượng điện mà nó lưu giữ được (kWh). Chẳng hạn, giá của LIBs là khoảng 120 – 200 USD/kWh.

LIBs mạnh nhưng không thân thiện

Nhờ những ưu điểm vượt trội, nhất là mật độ năng lượng rất cao, nghĩa là pin nhỏ và nhẹ mà vẫn lưu giữ được nhiều năng lượng, LIBs đã kích hoạt cuộc cách mạng các thiết bị điện tử cầm tay và di động và nhanh chóng trở thành pin vua trên thị trường pin toàn cầu. Tuy nhiên, các điểm yếu của LIBs, như giá cao, dễ cháy nổ và khó tái chế, lại khá trầm trọng và rất khó khắc phục, mà các yếu tố này lại nằm trong tâm điểm lo lắng của người dùng.

Vì sao LIBs đắt vậy? Hai lý do chính là: Vật liệu dùng làm LIBs như coban (Co) hay lithium (Li), rất đắt và công nghệ LIBs phức tạp. Để giảm giá, người ta đã thay thế một phần Co bằng nickel (Ni), tạo ra pin NMC [4], hiện được dùng rộng rãi trong nhiều dòng xe, từ Nissan Leaf, đến Tesla hay Mercedes-Benz EOS. Nhưng, vì Ni cũng đắt, nên giá của NMC vẫn cao (~130 USD/kWh).

Để giảm giá tiếp, người ta tạo ra pin Lithium-iron-phosphate (LFP), trong đó hoàn toàn không có Co hay Ni, mà sắt (Fe) và phosphate (P) thì đều rẻ. Pin LFP đang rất được ưa chuộng vì giá chỉ ~ 90 USD/kWh. Trên 70% lượng pin LFP hiện có trên thị trường có xuất xứ từ Trung Quốc, mà chủ yếu là từ hãng CATL. Tất nhiên ở đây phải đánh đổi, việc thay thế vật liệu như vậy làm giảm giá pin, nhưng đồng thời cũng giảm mật độ năng lượng. Đến LFP thì chỉ còn Li là vật liệu đắt tiền, muốn giảm giá tiếp thì chỉ còn cách loại bỏ chính Lithium, thay Li bằng một nguyên tố khác.

Đó là về vật liệu, còn về công nghệ, cho đến nay LIBs đã có hơn ba thập niên phát triển. Trong hai thập niên đầu, phần lớn chính nhờ vào hoàn thiện công nghệ, giá của LIBs đã giảm gần chục lần. Nhưng, mươi năm gần đây quá trình này đang chạm tới giới hạn. Về tổng thể, cả vật liệu lẫn công nghệ, giá của LIBs không thể giảm thêm đáng kể nữa.

Vì sao LIBs dễ cháy nổ? Những nguyên nhân chính là như sau.

(1) Trong quá trình làm việc kim loại Li tụ lại tạo thành một cái ‘cây’ (dendrite) có gốc ở anode. Khi sạc quá nhanh hoặc quá mức các nhánh của ‘dendrite’ kim loại Li này phát triển lên và có thể vươn tới cathode, làm đoản mạch, gây cháy nổ.

(2) Khi pin bị nóng quá (do sạc quá nhanh, xung quanh quá nóng, hay do lỗi nào đó trong quá trình xả), có thể xảy ra phản ứng phụ làm LE trở nên dễ cháy; Trong khi đó, phản ứng giữa Li và LE lại sinh thêm nhiệt, làm pin càng nóng hơn, dẫn đến cháy nổ - một kiểu phản ứng nhiệt mất kiểm soát (thermal runaway).

(3) Sạc quá mức (overcharging); Nếu sạc LIBs vượt quá điện áp giới hạn (~4,2 V), cathode có thể bị phân hủy, tạo ra oxygen, khí này phản ứng với LE hữu cơ, gây cháy nổ.

(4) Lỗi trong thiết kế/chế tạo. Chẳng hạn, trong cell có tạp kim loại hoặc có sai lệch ở tấm ngăn (separator), gây đoản mạch; Vụ Samsung Galaxy Note 7 chính là do lỗi thiết kế, khiến hai điện cực chạm vào nhau.

(5) Chất lỏng hữu cơ (như ethylene carbonate hay dimethyl carbonate) trong LE dễ bốc cháy ở nhiệt độ cao hay khi tiếp xúc với oxygen.

(6) Nguyên nhân cơ học: khi bị rơi từ trên cao, bị va đập mạnh, bị biến dạng hay bị thủng, tầm ngăn (separator) của pin có thể bị gãy hay điện cực bị hư hại, gây đoản mạch.

Và, (7) lưu trữ, bảo quản sai cách, như để pin ở nơi nhiệt độ cao hay cất giữ pin đã sạc đầy trong thời gian dài, dẫn đến thoái hóa điện cực, sinh khí, gây cháy nổ khí bên trong cell. Người sử dụng cần biết các nguyên nhân này để quản trị LIBs của mình an toàn hơn.

Cán bộ Quản lý thị trường kiểm tra một cơ sở kinh doanh xe đạp điện. (Ảnh: Cục Quản lý thị trường)

Bảo vệ LIBs khỏi cháy nổ là bài toán công nghệ chưa thể giải được. Để ý rằng, hầu hết nguyên nhân dẫn tới cháy nổ đều liên quan đến LE với dung môi hữu cơ và đến hóa tính của chính Li. Từ lâu người ta đã tìm cách thay LE bằng electrolyte ở thể rắn (solid state electrolyte – SSE). Khi đó, cả ba phần chính của cell, hai điện cực và electrolyte, đều ở thể rắn, nên LIB được gọi là LIB toàn thể rắn (all solid state lithium-ion battery – ASSLIB). Kỳ vọng là ASSLIBs không chỉ an toàn hơn mà còn có mật độ năng lượng cao hơn, vòng đời dài hơn và sạc nhanh hơn.

Rất nhiều cơ sở nghiên cứu, từ Harvard University, Department of Energy hay NASA (Mỹ) đến Tokyo University of Science (Nhật), cùng hầu hết hãng xe lớn (Toyota, Volkswagen, Tesla, LG hay BYD) đã và đang đầu tư khủng vào ASSLIBs. Tiếc là, mặc cho những tuyên bố hấp dẫn (như của Toyota) hay quảng bá giật gân (như của Huawei mới đây), hiện chưa có và chưa rõ khi nào sẽ có ASSLIBs thương mại.

Mà, giả dụ dăm năm nữa có, thì đó cũng không phải là pin dùng đại trà cho XMĐ vì nó cực đắt (Theo đánh giá của các chuyên gia, ASSLIB ban đầu sẽ có giá đâu đó khoảng 500 USD/kWh, nghĩa là chừng gấp ba lần LIB). Vậy là, nói chung, các loại pin dựa trên Lithium (dù là LIBs với LE hay ASSLIBs) chưa thể đáp ứng mong mỏi của người dùng XMĐ về một loại pin an toàn, giá vừa phải và dễ tái chế.

Nên chăng, quay lại với pin lead-acid: rẻ, ít cháy nổ, lại dễ tái chế? Xin lưu ý rằng, yếu điểm của lead-acid không chỉ là mật độ năng lượng rất thấp, hiệu quả thấp, tự xả cao, thời gian sạc cực lâu và độc tính của chì và H2SO4, mà thực ra, giá cũng rất đắt (chữ ‘rẻ’ ghi trong Bảng trên chỉ ngụ ý giá của một bộ pin).

Thật vậy, do mật độ năng lượng thấp và tự xả cao, pin mau phải sạc, mà vòng đời của lead-acid lại quá ngắn, nên pin rất mau chết. Theo đánh giá của PowerTech, trong cùng điều kiện sử dụng nếu LIB phải thay mới một lần thì lead-acid phải thay tới sáu lần và xét đầy đủ, giá tính trên kWh hữu ích của pin lead-acid hóa ra đắt hơn của LIBs tới khoảng 2,8 lần. Câu chuyện tương tự cũng xảy ra với pin NiCd. Vậy, quay lui về lead-acid hay NiCd không phải là việc nên làm, cho dù ở nhiều nước vì lý do nào đó các dòng pin này vẫn được dùng khá phổ biến.

SIBs – Pin xanh tối ưu cho xe máy điện

Thật tuyệt vời, các nhà công nghệ pin đã sớm ý thức được tình trạng kể trên, nên 2-3 năm gần đây họ đã đưa ra thị trường một dòng pin mới – pin Na-ion (hay sodium-ion battery – SIB). Nguyên tắc hoạt động của SIB giống như của LIB, khác nhau chỉ là: trong LIB các ion qua lại giữa hai điện cực là Li+, còn trong SIB thì là Na+.

Vì Na nằm ngay sau Li trong bảng tuần hoàn Mendeleev, hai nguyên tố này có hóa tính giống nhau, nên công nghệ LIB có thể áp dụng hiệu quả cho SIB. Tuy nhiên, vì ion Na+ nặng hơn Li+ khoảng ba lần và có kích thước lớn hơn khoảng 1,5 lần, các vật liệu điện cực của SIBs cần được chọn phù hợp (chẳng hạn Na+ không thể chen vào khoảng giữa các lớp graphene trong graphite, nên graphite không thể dùng làm anode cho SIB mà phải thay bằng vật liệu phù hợp, như hard carbon).

Do sự tương tự như vậy, ở đây chúng tôi không thảo luận chi tiết về SIBs, mà xin dẫn về một bài đã viết [5]. Đáng quan tâm là, dù chỉ mới được phát triển, SIBs đã thể hiện nhiều tính năng chứng tỏ rằng đây chính là dòng pin tối ưu mà chúng ta đang tìm kiếm cho XMĐ .

Điểm trừ cơ bản của SIBs, so với LIBs, là mật độ năng lượng thấp hơn, nghĩa là với cùng khối lượng hay thể tích pin, khoảng cách xe chạy được trong một lần sạc của LIBs dài hơn của SIBs. Bù lại, SIBs có vòng đời dài hơn, thời gian sạc ngắn hơn, an toàn hơn nhiều (rất ít khả năng cháy nổ), bền hơn, dễ tái chế hơn, thân thiên với môi trường hơn và đặc biệt là rẻ hơn.

Thực ra, để dùng cho XMĐ, mật độ năng lượng của SIBs không phải là thấp, mà là vừa đẹp. CATL hiện đang đi đầu trong phát triển SIBs thương mại. Theo công bố mới đây, sản phẩm Naxtra của hãng này đã đạt 175 Wh/kg (gần bằng LFP của dòng LIBs, ~180-185 Wh/kg). Với mật độ năng lượng này, ô-tô điện cũng có thể đi được quãng đường ~350-400 km cho mỗi lần sạc, nói chi XMĐ.

CATL tuyên bố trong năm 2025 này sẽ xuất xưởng SIBs thương mại với mật độ năng lượng ~200 Wh/kg (cao hơn LFP). Đồng thời, CATL chứng tỏ SIBs của họ cực an toàn: pin không cháy nổ ngay cả khi bị đập mạnh, làm biến dạng, thậm chí bẻ gãy ngay cả ở nhiệt độ khá cao.

Cùng với CATL, hiện đang có một cuộc đua khốc liệt giữa các hãng xe/pin lớn trong phát triển SIBs. Northvolt (Thụy Điển) đã xuất xưởng SIB với 160 Wh/kg từ tháng Mười một 2023 và đang phát triển SIBs với mật độ năng lượng ngang LFP. Tiamat (Pháp) công bố rằng SIBs của họ có vòng đời trên 5000 cycles và thời gian sạc chưa đầy 5 phút. Faradion (Anh) đã trình làng SIBs với 160 Wh/kg và đang xây nhà máy lớn ở Ấn Độ. Natron Energy (Mỹ) đang xây hai nhà máy chế tạo SIBs quy mô tỷ đô. Đầu năm 2024, BYD (Trung Quốc) khởi công xây nhà máy chế tạo SIBs lớn nhất thế giới, trị giá 1,4 tỷ USD.

Các viện/đại học lớn cũng âm thầm mà quyết liệt nghiên cứu SIBs, từ University of Chicago và MIT ở Mỹ, đến CNRS ở Pháp, Tokyo University of Science ở Nhật, ĐH Giao thông Thượng Hải và Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc... Nói ‘âm thầm’ vì rất ít thông tin lọt ra từ các cơ sở nghiên cứu này. Cuộc đua còn đang ở giai đoạn khởi đầu và diễn tiến rất nhanh. Shirley Meng, chuyên gia hàng đầu về SIBs ở University of Chicago, nói: "Tôi tin rằng, trong vòng chưa đầy 10 năm nữa các SIBs tiên tiến sẽ có mật độ năng lượng ngang như LIBs”.

Dự báo là khi được sản xuất đại trà giá của SIBs sẽ giảm đi một nửa so với giá hiện nay, nghĩa là chỉ khoảng 30-40 USD/kWh, hết lo pin đắt!

Chú giải và tham khảo:

1. Một bộ pin gồm nhiều cell; Bộ pin của ô-tô điện có thể gồm vài ngàn cell.

2. Mỗi dòng pin này đều có nhiều biến thể, ở đây thảo luận của chúng tôi mang tính đại diện.

3. Các công trình về LIBs của ba nhà khoa học này đã được tặng giải Nobel Hóa học năm 2019.

4.Chẳng hạn, bộ pin NMC532 chứa 8 kg Lithium carbonate, 35 kg Ni, 20 kg Mn, và 14 kg Co.

5. Có thể tham khảo bài tổng quan ‘Pin với Vật lý Ngày nay’ trong Tạp chí Vật lý Ngày nay của Hội Vật lý Việt Nam, số 2, 2024. 6. Vì SIBs thương mại còn rất mới, nên chưa có thống kê rộng hơn. Số liệu trên Bảng là của loại SIB mang tên Naxtra của CATL.

GS. Nguyễn Văn Liễn - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN