Công nghệ pin xe điện: Sạc nhanh có làm chai pin không?

Các hãng xe điện liên tục quảng cáo thời gian sạc nhanh như một lợi thế cạnh tranh, khiến người dùng đặt câu hỏi liệu sạc nhanh có làm chai pin. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, pin xe điện khi kết thúc vòng đời vẫn còn ít nhất 70% dung lượng ban đầu, nhưng con số này phụ thuộc vào cách sạc và công nghệ pin.

Sạc nhanh ảnh hưởng đến tuổi thọ pin

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, pin xe điện hết vòng đời có thể hoạt động thêm 10 năm trong ứng dụng lưu trữ năng lượng.

Các loại pin xe điện khác nhau về mật độ năng lượng

Pin lithium-ion hiện là tiêu chuẩn cho xe điện hiện đại, theo large.stanford.edu. Trong khi đó, ắc quy axit-chì có năng lượng riêng khoảng 34 Wh/kg và ắc quy NiMH đạt 68 Wh/kg, theo large.stanford.edu. Sự khác biệt về mật độ năng lượng này giải thích vì sao lithium-ion chiếm ưu thế.

Sạc nhanh gây hao mòn pin nhưng không tuyệt đối

Sạc nhanh gây hao mòn pin theo thời gian, nhưng mức tổn hại không chỉ do tốc độ dòng điện mà còn xuất phát từ đặc tính vật liệu và kiến trúc sạc của xe.

Theo large.stanford.edu, ắc quy axit-chì có năng lượng riêng khoảng 34 Wh/kg, nickel-metal hydride (NiMH) đạt tới 68 Wh/kg, còn lithium-ion đạt khoảng 140 Wh/kg; năng lượng riêng cao hơn đồng nghĩa với việc pin nhẹ hơn khi cùng dung lượng, nhưng cũng đòi hỏi hệ thống quản lý phức tạp hơn để tránh phản ứng phụ.

NiMH có tốc độ tự xả khoảng 12,5% mỗi ngày tại nhiệt độ phòng, trong khi lithium-ion chỉ tự xả khoảng 5% một tháng; nhiệt độ cao làm trầm trọng thêm vấn đề tự xả của NiMH, khiến loại ắc quy này dễ suy giảm hơn khi vận hành trong môi trường nóng nếu không được làm mát đúng cách.

Cũng theo large.stanford.edu, hiệu suất nạp của NiMH thấp hơn so với các loại ắc quy khác, do đó một phần năng lượng đưa vào bị tiêu tán thành nhiệt trong lúc sạc, gây thêm ứng suất nhiệt cho tế bào. Lithium-ion dù tự xả thấp hơn vẫn có thể trải qua hiện tượng thoát nhiệt, gây cháy hoặc nổ xe; Tesla Model S từng ghi nhận một số vụ cháy do sạc dao động hoặc hư hỏng ắc quy.

Vì thế, các phương tiện điện cần hệ thống giám sát điện áp, nhiệt độ của từng cell, kiểm soát dòng nạp theo đúng đặc tính hóa học, chứ không thể giải thích việc hao mòn chỉ bằng thông số công suất sạc thô.

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, hệ thống lưu trữ năng lượng là thiết yếu với xe thuần điện, xe plug-in hybrid và xe hybrid; các loại pin gồm lithium-ion, nickel-metal hydride, axit-chì và siêu tụ điện.

Lithium-ion chiếm ưu thế trong các mẫu xe plug-in hybrid và xe thuần điện vì có tỷ lệ công suất trên khối lượng cao, hiệu suất năng lượng cao, hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, tuổi thọ dài và tự xả thấp, nhưng nhược điểm của nhóm này là chi phí cao và rủi ro an toàn.

Pin nickel-metal hydride từng được dùng rộng rãi trong các xe hybrid nhờ vòng đời dài hơn pin axit-chì và khả năng an toàn khi bị lạm dụng, tuy nhiên thách thức chính của nó là giá cao, tốc độ tự xả cao, sinh nhiệt ở nhiệt độ cao và cần kiểm soát thất thoát hydro.

Pin axit-chì có thể thiết kế để đạt công suất cao, giá rẻ, an toàn, có thể tái chế và đáng tin cậy, nhưng năng lượng riêng thấp, khả năng hoạt động ở nhiệt độ lạnh kém và tuổi thọ ngắn nên hiện chỉ được dùng trong các xe điện thương mại cho phụ tải phụ trợ hoặc cho chức năng dừng–khởi động trên xe động cơ đốt trong.

Siêu tụ điện lưu trữ năng lượng ở ranh giới tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân khi có điện áp đặt vào; dung lượng tăng theo diện tích bề mặt tiếp xúc, mật độ năng lượng thấp nhưng mật độ công suất rất cao, có thể cấp thêm công suất cho xe trong lúc tăng tốc, leo dốc và hỗ trợ thu hồi năng lượng phanh, hoặc làm thiết bị lưu trữ thứ cấp để cân bằng tải cho pin điện hóa.

Wikipedia cũng nêu rằng lithium-ion hiện được coi là tiêu chuẩn cho xe điện chạy pin hiện đại và pin Li-ion nên được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ và điện áp an toàn; vận hành ngoài phạm vi này không chỉ làm giảm tuổi thọ mà còn làm tăng nguy cơ mất an toàn.

Một kỹ thuật giúp kéo dài tuổi thọ là chỉ vận hành một tập hợp con các tế bào pin tại một thời điểm rồi luân phiên giữa các tập hợp con; nhờ đó mỗi cell không phải liên tục chịu dòng phóng/nạp, và nhiệt sinh ra được phân tán đều hơn trong khối pin.

Theo epa.gov, hầu hết xe điện có thể sạc bằng ổ cắm 120 V tiêu chuẩn; để sạc pin nhanh hơn, người dùng có thể lắp đặt ổ cắm hoặc hệ thống sạc chuyên dụng 240 V. Phạm vi di chuyển của xe điện trước khi cần sạc lại thường ngắn hơn so với xe xăng, nhưng vẫn đáp ứng đủ nhu cầu đi lại hằng ngày của đa số người dùng.

Tuy vậy, thời tiết lạnh, sử dụng các phụ kiện tiêu thụ điện như điều hòa, hoặc lái xe ở tốc độ cao có thể làm giảm đáng kể phạm vi hoạt động. Những yếu tố này khiến người lái phụ thuộc vào các trạm sạc công cộng hoặc bộ sạc tại nhà, và vì thế càng cần hiểu rõ giới hạn nhiệt độ, điện áp của pin để không biến việc sạc nhanh thành tác nhân gây suy thoái sớm.

Ở cuối vòng đời sử dụng, pin không hỏng hoặc hư hại vẫn còn ít nhất 70% dung lượng ban đầu, theo Bộ Năng lượng Mỹ; với mức đó, pin có thể hoạt động thêm 10 năm hoặc hơn trong các ứng dụng lưu trữ và nhiều nghiên cứu kết luận việc tái dùng cho lưới điện tĩnh hoặc nguồn dự phòng là khả thi kỹ thuật. Khâu sạc phụ cũng có thể gây mất khả năng vận hành.

Wikipedia cho biết hầu hết xe điện chạy pin có một pin phụ điện áp thấp, thường là hệ thống 12 vôn, để cấp nguồn cho các phụ kiện và điện tử điều khiển; pin phụ này được sạc từ pin kéo điện áp cao qua bộ chuyển đổi DC/DC. Khi hệ thống sạc này gặp trục trặc, quá trình nạp cho pin 12 vôn bị gián đoạn, pin phụ cạn dần và xe có thể không chuyển động được dù pin kéo chính vẫn còn điện.

Năm 2024, Hyundai và Kia đã thu hồi nhiều xe do lỗi bộ điều khiển sạc tích hợp (ICCU) có thể ngừng sạc pin 12 vôn, dẫn đến mất công suất dẫn động.

Sự cố này cho thấy hao mòn pin không phải lúc nào cũng bắt nguồn từ phản ứng bên trong cell; một lỗi ở mạch sạc phụ hoặc quá trình sạc nhanh làm tăng nhiệt độ toàn hệ thống có thể tác động dây chuyền lên các linh kiện điện tử và bộ phận chuyển đổi năng lượng, do đó đánh giá độ bền pin cần xem xét cả hạ tầng điện áp thấp lẫn hạ tầng sạc công suất lớn.

Thị trường xe điện đặt áp lực lên công nghệ sạc nhanh

Các hãng xe điện xem thời gian sạc là lợi thế cạnh tranh, tạo áp lực phát triển pin sạc nhanh. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, hầu hết xe plug-in hybrid và xe thuần điện sử dụng pin lithium-ion, loại pin có năng lượng riêng khoảng 140 Wh/kg, theo large.stanford.edu. Vì vậy, cuộc đua sạc nhanh tập trung vào việc tối ưu hóa hóa học pin lithium-ion để vừa đạt tốc độ cao vừa duy trì tuổi thọ.

Hóa học pin quyết định ngưỡng dòng sạc an toàn

Mỗi loại pin có ngưỡng dòng sạc an toàn khác nhau, được quyết định bởi hóa học và cấu trúc bên trong. Theo large.stanford.edu, pin lithium-ion có năng lượng riêng khoảng 140 Wh/kg, cao hơn hẳn ắc quy axit-chì (34 Wh/kg) và NiMH (68 Wh/kg). Chính mật độ năng lượng cao này cho phép lithium-ion hấp thụ dòng điện lớn hơn, nhưng cũng đòi hỏi hệ thống quản lý pin phức tạp để tránh hư hại.

Sạc nhanh gây mạ điện lithium bên trong cell

Sạc nhanh sinh nhiệt và mạ điện lithium bên trong cell, là nguồn gốc hao mòn pin. Theo large.stanford.edu, pin lithium-ion có thể trải qua hiện tượng thoát nhiệt, gây cháy hoặc nổ xe. Vì vậy, kiểm soát nhiệt độ là yếu tố sống còn khi sạc nhanh để ngăn chặn các phản ứng phụ làm giảm tuổi thọ pin.

Khi nào sạc nhanh không nên được áp dụng?

Sạc nhanh không nên áp dụng khi pin đã xuống cấp nhiều hoặc nhiệt độ môi trường quá cao. Theo large.stanford.edu, nhiệt độ cao làm trầm trọng thêm vấn đề tự xả của ắc quy NiMH. Với pin lithium-ion, theo Wikipedia, pin nên được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ và điện áp an toàn để vận hành an toàn và hiệu quả. Trong các điều kiện này, lợi ích của sạc nhanh không còn đáng để chấp nhận rủi ro hao mòn.

Mức độ tổn hại phụ thuộc vào nhóm người dùng

Mức độ tổn hại sau cùng phụ thuộc điều kiện áp dụng và nhóm người dùng. Người đi làm hằng ngày sạc qua đêm bằng nguồn điện thường sẽ ít thấy khác biệt. Tài xế chạy dịch vụ phụ thuộc trạm sạc nhanh công cộng sẽ đối mặt mức suy giảm tuổi thọ rõ hơn.

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, pin xe điện khi kết thúc vòng đời vẫn còn ít nhất 70% dung lượng ban đầu, cho thấy sự hao mòn là không thể tránh khỏi nhưng có thể kiểm soát.

Nguồn tham khảo

Thông tin trong bài được tổng hợp từ large.stanford.edu, Bộ Năng lượng Mỹ, epa.gov và Wikipedia.