Pin xe hơi còn nửa giá

Một công ty mới thành lập hy vọng sẽ thương mại hóa một dự án mới cho chất điện phân lỏng.


Pin nguyên mẫu: Hai vật liệu điện cực dạng bùn được đưa vào thiết bị này. Vật liệu cực dương chảy nửa trên, và cực âm chảy phía dưới. I-on Lithium truyền từ vật liệu này sang vật liệu kia, và dòng điện tử chạy qua các dây màu đen và đỏ.
Ảnh: Yet-Ming Chiang

Năm ngoái, Hệ thống pin A123 mới đã tách ra một công ty khác, gọi là 24M, để phát triển một loại pin nhằm làm cho xe điện đi xa hơn và chi phí ít hơn. Hôm nay một bài báo nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Vật liệu Năng lượng Tiên tiến cho thấy những chi tiết đầu tiên về nguyên lý làm việc của pin này. Nó cũng đề cập những thách thức trong việc đưa các pin ra thị trường.

Một vấn đề lớn với các pin lithium-ion dùng trong xe điện và xe hybrid cắm sạc là chỉ có khoảng 25 phần trăm thể tích pin chứa các vật liệu lưu trữ năng lượng. Phần còn lại là các vật liệu thụ động, như bao bì, lá dẫn điện, và các loại keo, làm cho pin cồng kềnh và chiếm một phần chi phí đáng kể.

24M có ý định làm giảm đáng kể các vật liệu thụ động trong pin. Theo ước tính trong một báo cáo mới, pin của họ có thể đạt được gần gấp đôi mật độ năng lượng của các bộ pin cho xe hiện nay. Pin có mật độ năng lượng cao hơn sẽ nhỏ hơn và rẻ hơn, có nghĩa là xe điện và xe hybrid sẽ ít đắt hơn. Bài viết này ước tính rằng pin có thể có giá chỉ tầm 250 USD cho mỗi kilowatt giờ, chỉ bằng một nửa so với giá hiện nay.

Một bộ pin thông thường được tạo thành từ hàng trăm tế bào. Mỗi tế bào chứa một chồng nhiều điện cực rắn mỏng. Các điện cực được ghép với lá kim loại thu dòng điện và phân cách nhau bởi các tấm phim nhựa. Để tăng việc lưu trữ năng lượng cần phải thêm nhiều lớp vật liệu điện cực - do đó phải thêm nhiều lớp lá kim loại và phim nhựa.

Thiết kế của 24M có thể tăng lưu trữ năng lượng mà không cần bổ sung them các lá kim loại và tấm phim nhựa. Sự khác biệt chính là các điện cực không phải là các tấm phim rắn xếp chồng lên nhau, mà là vật liệu giống như bùn được lưu trữ trong các bể, một vật liệu điện cực dương và một vật liệu khác cho điện cực âm.

Các vật liệu được bơm từ bể vào một thiết bị nhỏ, nơi mà chúng di chuyển qua các kênh được khắc vào các khối kim loại. Khi điều này xảy ra, các ion di chuyển từ điện cực này đến điện cực kia xuyên qua giống như vật liệu phân cách dùng trong pin thông thường. Điện tử đi theo cách của chúng ra khỏi vật liệu qua một mạch bên ngoài. Trong thiết kế này, tăng tích trữ năng lượng đơn giản là tăng kích thước của bể chứa – thiết bị để các điện cực tương tác với nhau giữ nguyên kích thước. Thiết kế này cũng không cần thiết phải kết nối hàng trăm tế bào để đạt được lưu trữ năng lượng cần thiết.

Loại pin mới này tương tự như một cái gì đó gọi là pin dòng chảy, trong đó hai điện cực được bơm qua nhau. Nhưng pin dòng chảy thông thường có kích thước khoảng 10 lần lớn hơn so với thiết kế mới vì chúng dùng các dung dịch lưu trữ năng lượng loãng, do vậy trên thực tế không dùng cho xe hơi được.

Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Yet-Ming Chiang, một giáo sư về khoa học vật liệu tại MIT, và sáng lập viên của cả hai hệ thống A123 và 24M, thử nghiệm các vật liệu khác nhau cho các điện cực, bao gồm oxit coban lithium, thường được sử dụng trong các pin máy tính xách tay. Họ đã chứng minh rằng thiết bị có thể sạc và xả ở tốc độ cần thiết trong xe điện, Chiang nói.

Bài viết này cũng mô tả cách thức các nhà nghiên cứu giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của thiết kế: kéo điện tích ra khỏi chất bùn. Trong pin lithium ion thông thường, các điện tử đi theo đường của chúng bằng cách nhảy qua các hạt dẫn kết nối trong các điện cực rắn cho đến khi chúng đến bộ thu dòng điện. Trong pin mới, các điện tử sẽ không đi qua chất điện phân. Vì vậy, Chiang và các đồng nghiệp trộn các hạt nano carbon thành bùn; các hạt hình thành mạng lưới liên kết với nhau một cách tự nhiên trong chất lỏng để cung cấp đường cho các điện tử thoát ra ngoài.

Những thách thức vẫn còn trước khi pin có thể được thương mại hóa. Độ dẫn điện vẫn còn khoảng 100 lần nhỏ hơn so với hệ thống thực tế, Chiang nói. Ông cũng đang tiến hành vào việc làm tăng nồng độ vật liệu tích cực trong bùn.

Jeff Dahn, một giáo sư vật lý và hóa học tại Đại học Dalhousie, lưu ý rằng để đạt được mức năng lượng cần thiết để kéo được một chiếc xe hơi, pin điện hóa vẫn cần phải lớn: các vật liệu phân cách sẽ phải có diện tích khoảng 3mx4m. Có thể cắt thành từng miếng và xếp chồng lên nhau, nhưng như vậy có thể làm cho hệ thống phức tạp, và ngay cả với cách tiếp cận này, các tế bào có thể trở nên cồng kềnh, ông nói.

"Chúng tôi đang tiến triển tốt về công nghệ", phát biểu của Giám đốc điều hành 24M Throop Wilder. "Việc chấp nhận bài viết là xác nhận mạnh mẽ về các nguyên tắc cơ bản thúc đẩy phát triển của chúng tôi." 24M có khoảng 20 nhân viên, và đã gầy được vốn khoảng 16 triệu USD.

"Đó là một thiết bị rất thông minh," ông Dahn nói. "Tôi không biết liệu nó có vượt ra khỏi một ý tưởng trong một bài báo không, nhưng Chiang đã làm ngạc nhiên nhiều người trước đây."