Những loại pin xe điện phổ biến hiện nay
Chỉ còn chưa đầy một năm nữa, ít nhất là toàn bộ xe máy xăng, mà người dân trong khu vực vành đai 1 ở Hà Nội hiện đang sử dụng (chừng gần nửa triệu chiếc), phải bị loại bỏ hoặc thay thế bằng xe máy điện. 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 xe máy điện. 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.
GS Nguyễn Văn Liễn - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho rằng những lo lắng này là hoàn toàn có cơ sở. 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 xe máy điện, và càng đắt khi so với thu nhập trung bình hiện nay của người dân.
Thị trường xe máy điện trở nên sôi động, thu hút sự quan tâm của người dùng.
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 xe máy điện.
GS Nguyễn Văn Liễn cho biết, pin dùng cho xe máy điện 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 xe máy điện. Dòng xuất hiện sớm nhất là pin chì-axit. 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 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). 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).
Pin 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.
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.
Lo lắng vì dòng pin Lithium dễ cháy nổ
Theo GS Nguyễn Văn Liễn, 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 chiếm lĩnh 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.
Lý do dễ cháy nổ vì trong quá trình làm việc kim loại Li tụ lại tạo thành một cái 'cây' 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.
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.
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. 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.
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. 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 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. Bảo vệ LIBs khỏi cháy nổ là bài toán công nghệ chưa thể giải được.
Có nên quay lại với pin axit chì?
"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", GS Nguyễn Văn Liễn khẳng định. 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.
GS Nguyễn Văn Liễn cho biết, 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).
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.
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...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.
