Có những loại pin xe điện nào?

Nội dung chính:

• Giá thành sản xuất, mật độ năng lượng và vòng đời là các tiêu chí để các hãng xe quyết định lựa chọn loại pin thích hợp. 

• Các loại pin thông dụng bao gồm Ni-MH, NMC, LFP, NCA - cơ bản khác nhau từ các nguyên tố chính trong pin.

• LFP không có ưu thế về việc tái chế, nhưng đang thắng thế nhờ giá thành rẻ, ít bị chai pin khi sạc nhiều lần. 

Ni-MH

Vào cuối những năm 1990, các nhà sản xuất ô-tô bắt đầu thử nghiệm với ý tưởng sản xuất một chiếc xe hơi chạy điện hoàn toàn. Công nghệ pin có thể sạc được tiên tiến nhất vào khi đó là Nickel Metal Hydride (Ni-MH), vốn có mật độ năng lượng và độ bền cao. 

Pin Ni-MH đáp ứng những nhu cầu thiết yếu cho ngành công nghiệp ô-tô vào khi đó, vì loại pin này đã có mặt trên thị trường từ lâu, dễ dàng phát triển, an toàn và có thể hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng (một số dòng pin Ni-MH của Panasonic có thể hoạt động trong khoảng từ -30 đến 75 độ C).

Toyota lắp bộ pin 27,4 kWh vào chiếc SUV RAV4 EV, đủ đi được quãng đường 150km, Honda đạt kết quả tương tự với chiếc EV Plus, và Ford với chiếc Ranger EV. Cả ba mẫu xe này đều ra mắt vào năm 1997, nhưng với quãng đường di chuyển khiêm tốn như vậy, không khó hiểu khi chúng không thể tạo nên một cuộc cách mạng.

Toyota thực dụng hơn, sử dụng pin Ni-MH trong những chiếc Prius hybrid - như một cách để tiết kiệm xăng thay vì chạy điện hoàn toàn với một quãng đường ngắn ngủi.

Chiếc EV1 của General Motors, mẫu xe điện đình đám hồi cuối những năm 1990. (Ảnh: Top Gear)

Chỉ có General Motors là đạt được kết quả khả quan hơn với chiếc EV1 đình đám. Với thiết kế tối đa tính khí động học, chiếc EV-1 với bộ pin Ni-MH có thể di chuyển quãng đường lên tới 230km. Có lẽ hãng xe Mỹ đã từng có ý định nghiêm túc với việc sản xuất xe chạy điện hoàn toàn từ khi đó, vì họ đã mua bản quyền bằng sáng chế pin Ni-MH từ một công ty có tên là Ovonics vào năm 1994.

NMC, LFP hay NCA?

Nhưng Ni-MH đã là câu chuyện của quá khứ, và bây giờ là thời đại của pin Lithium-ion (còn gọi là Li-ion). Ban đầu được phát triển và thương mại hóa để sử dụng trong máy tính xách tay và thiết bị điện tử tiêu dùng, nhưng với mật độ năng lượng cao và vòng đời dài, chúng đã trở thành loại pin hàng đầu được sử dụng trong xe điện

So sánh với pin Ni-MH, pin Li-ion có mật độ năng lượng cao hơn. Có nghĩa là các hãng xe có thể lắp một bộ pin với kích thước nhỏ hơn, trong khi vẫn giữ nguyên dung lượng. Cùng với đó là việc pin Li-ion không có “hiệu ứng bộ nhớ” (một hiện tượng khi pin bị “chai” dần khi sạc nhiều lần) - giúp tuổi thọ pin Li-ion được nâng cao đáng kể so với pin Ni-MH.

Hai loại pin Li-ion phổ biến nhất vào lúc này cho xe điện là NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) và LFP (Lithium Iron Phosphate), được phân biệt bởi các nguyên tố xuất hiện trong cực âm (cathode) của pin.

Tesla Roadster ra mắt năm 2008, dựa trên khung gầm của chiếc Lotus Elise, là mẫu xe thương mại đầu tiên sử dụng hoàn toàn pin lithium-ion. (Ảnh: Tesla)

Có 3 yếu tố quan trọng nhất khi nói tới pin xe điện là giá thành sản xuất (USD/kWh), mật độ năng lượng và vòng đời. Chưa có loại pin nào đáp ứng hoàn hảo cả 3 yếu tố này. Pin NMC và LFP đều có điểm mạnh và điểm yếu.

Cả hai loại pin này có cấu tạo cơ bản gồm cực âm (cathode), cực dương (anode), một dải ngăn cách ở giữa và chất điện phân để cho phép dòng lithium-ion di chuyển qua lại. Pin NMC có mật độ năng lượng cao hơn nhưng giá thành sản xuất cũng đang cao hơn so với pin LFP. Ngoài ra, pin NMC cũng nhanh “chai” hơn so với đối thủ.  

Sự khác biệt về dung lượng và giá cả của LFP và NMC chủ yếu đến từ cấu tạo cực âm của chúng. Thông thường, cực âm là phần đắt nhất trong một cục pin, vì nó là sự kết hợp của các nguyên tố đất hiếm. Pin NMC sử dụng cobalt, nguyên tố đắt nhất xuất hiện trong pin, và cũng có nickel, nguyên tố có nguy cơ bị thiếu hụt trong tương lai.

Tuy nhiên, cả hai nguyên tố này chính là thứ giúp pin NMC có mật độ năng lượng cao hơn. Pin LFP không sử dụng cả hai nguyên tố này, và chọn sắt và phốt-pho - hai nguyên liệu rẻ hơn nhiều để làm cực âm. Điều này khiến pin LFP đạt mật độ năng lượng thấp hơn so với pin NMC.

LFP đang thắng thế

Vào lúc này, pin LFP đang phổ biến hơn trên thị trường, với lý do chủ yếu đến từ sự thành công của hai hãng sản xuất pin xe điện Trung Quốc là CATL và BYD. Khoảng 44% xe điện bán ra tại thị trường đông dân nhất thế giới sử dụng pin LFP.

Năng lực sản xuất khổng lồ của hai hãng này giúp giá thành pin LFP rẻ hơn so với pin NMC. Pin là bộ phận đắt giá nhất trên một chiếc xe điện. Theo thông lệ, các hãng xe lấy mốc quan trọng nhất để tính giá pin là 100 USD/kWh. Nếu một bộ pin có giá thấp hơn mốc này, các hãng xe sẽ có lãi. Cả CATL và BYD đều đang cung cấp các bộ pin LFP với giá chỉ quanh mốc 60 USD/kWh.

Bên cạnh việc không cần đến cobalt và nickel trong quá trình sản xuất, pin LFP còn sử hữu nhiều lợi thế khác. Về tổng thể, pin LFP ổn định hơn và ít có khả năng bắt lửa hơn so với pin NMC, vì thế chúng cần ít biện pháp bảo vệ hơn.

Pin LFP cũng có thể được sạc nhiều lần hơn, giúp kéo dài vòng đời của chúng, và ấn tượng nhất là việc người dùng có thể sạc pin LFP đến 100% liên tục mà không làm giảm tuổi thọ của chúng quá nhiều. 

Sự ổn định của LFP là do về mặt hóa học, liên kết giữa phốt-pho và sắt mạnh hơn liên kết giữa các kim loại và oxy (là các nguyên tố trong pin NMC), dẫn đến việc oxy sẽ thoát ra chậm hơn. Kết quả là sẽ có ít khả năng xảy ra một phản ứng tỏa nhiệt (khi oxy tác dụng với các chất khác).

Việc này là rất quan trọng vì khi phản ứng tỏa nhiệt xảy ra, nhiệt độ cao sẽ trở thành nhân tố xúc tác cho các phản ứng diễn ra mạnh hơn, tạo thành một vòng lặp nguy hiểm (thermal runaway) nếu như lượng nhiệt hình thành lớn hơn lượng nhiệt phân tán.

Và một khi vòng lặp nhiệt này xảy ra, nhiệt độ của pin sẽ tăng cực nhanh. Năng lượng lưu trữ trong pin sẽ được giải phóng đột ngột, và trong trường hợp xấu nhất, nó sẽ khiến pin bắt đầu cháy hoặc phát nổ.

Tất cả các yếu tố trên khiến cho pin LFP được đánh giá là an toàn hơn nhiều so với pin NMC.

Những chiếc Tesla 3 bên trong nhà máy của Tesla ở Thượng Hải, Trung Quốc, vốn sử dụng pin LFP cho phiên bản cơ bản. (Ảnh: Reuters)

Những người ủng hộ xe điện thường mô tả về một “nền kinh tế tuần hoàn”, theo đó pin xe điện cũ được tái chế để biến thành pin mới, gia tăng tính bền vững của ngành công nghiệp. Tuy nhiên khả năng tái chế là điểm yếu cố hữu của pin LFP. 

Do có hàm lượng nickel và cobalt, pin NMC trở nên hấp dẫn hơn với ngành tái chế, vì những kim loại này có giá cao hơn, và việc tái chế là khả thi về mặt kinh tế. Điều này không đúng với pin LFP, vì cả phốt-pho và sắt đều là những nguyên tố sẵn có, việc tái chế sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. 

Bên cạnh LFP và NMC, một loại pin Lithium-ion khác cũng đang tồn tại trên thị trường, nhưng ít phổ biến hơn, đó là pin Lithium Nickel Cobalt Aluminium (NCA). Cấu trúc của pin NCA cũng tương tự như NMC, nhưng nguyên tố Mangan được thay thế bằng nhôm để tăng tuổi thọ pin.

Chỉ có Tesla là hãng xe điện duy nhất sử dụng loại pin NCA này, được cung cấp bởi Panasonic. Những bộ pin NCA hiện chỉ được sử dụng trong các biến thể đề cao hiệu suất và tầm di chuyển cao cấp hơn của Tesla Model 3, Model Y, Model S và Model X.