Lithium-ion hiện là lựa chọn ưu tiên của các nhà sản xuất ô tô cho pin xe điện, nhưng nó gặp phải nhiều hạn chế trong việc sử dụng trên ô tô. Những lo ngại về phạm vi pin, giá cả, tốc độ sạc, tuổi thọ cũng như việc khai thác và an toàn tiếp tục cản trở việc sử dụng lithium-ion trong xe điện. Trong khi các nhà phát triển đang nỗ lực loại bỏ những hạn chế này, họ cũng đang khám phá các thành phần hóa học khác của pin.
Pin thể rắn, lựa chọn an toàn hơn
Pin thể rắn giải quyết mối lo ngại quan trọng đó là sự an toàn của chất điện phân lỏng được sử dụng trong lithium-ion.
Những chất điện phân này có nguy cơ dễ cháy trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc quá nóng. Pin thể rắn thay thế chất lỏng bằng chất điện phân polymer hoặc gốm rắn, mang lại độ ổn định nhiệt vượt trội. Pin thể rắn cũng cho phép đóng gói các điện cực dày đặc hơn, có khả năng dẫn đến tăng đáng kể khả năng lưu trữ năng lượng. Chất điện phân rắn tạo điều kiện cho các ion trong pin chuyển động nhanh hơn, giúp xe điện sạc nhanh hơn đáng kể. Pin thể rắn cũng có tuổi thọ cao hơn so với lithium-ion do giảm nguy cơ hình thành những hạt giống như kim cương xuất hiện trên bề mặt của lithium kim loại (dendrite).
Những lợi ích này dẫn đến phạm vi lái xe EV dài hơn, thời gian sạc nhanh hơn và tuổi thọ tăng lên. Chúng cũng đã thúc đẩy sự đầu tư đáng kể từ các công ty như Toyota và Samsung, nhằm mục đích thương mại hóa vào cuối thập kỷ này. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức đối với pin thể rắn.
Sản xuất pin thể rắn hiện là một quá trình phức tạp và tốn kém. Việc mở rộng quy mô sản xuất để áp dụng đại trà sẽ đòi hỏi những tiến bộ liên tục để giảm chi phí. Sự phát triển chất điện phân thể rắn vẫn tiếp tục nhưng vẫn còn những rào cản kỹ thuật xoay quanh việc tối ưu hóa độ dẫn điện và khả năng tương thích với vật liệu điện cực. Bất chấp những thách thức này, pin thể rắn có tiềm năng to lớn để giải quyết mối lo ngại về phạm vi liên quan đến xe điện và đáng kể là cải thiện trải nghiệm sạc, khiến chúng trở thành yếu tố thay đổi cuộc chơi trong việc áp dụng xe điện rộng rãi.
Natri-ion, lựa chọn kinh tế
Pin natri-ion mang đến một lựa chọn hấp dẫn khác cho xe điện. Natri rẻ hơn và dồi dào hơn đáng kể so với lithium được sử dụng trong pin lithium-ion.
Điều này tạo cơ hội để giảm chi phí sản xuất pin, một hạn chế chính khiến xe điện trở nên dễ tiếp cận hơn đối với nhiều người tiêu dùng. Sự dồi dào natri cũng làm giảm sự phụ thuộc vào khai thác lithium, vốn gây ra những lo ngại về môi trường và đạo đức. Pin natri-ion duy trì hiệu suất rất tốt ở nhiệt độ thấp hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn phù hợp cho những vùng có mùa đông khắc nghiệt, không giống như pin lithium-ion, khiến hiệu suất giảm đi trong thời tiết lạnh giá.
Tuy nhiên, pin natri-ion cũng có những hạn chế riêng. Natri-ion hiện cung cấp mật độ năng lượng thấp hơn so với lithium-ion dẫn đến phạm vi lái xe ngắn hơn cho xe điện sử dụng công nghệ natri-ion. Ngoài ra, pin natri-ion thường có tốc độ sạc chậm hơn so với pin lithium-ion. Đây có thể là một nhược điểm đáng kể đối với người tiêu dùng cần sạc nhanh hơn. Là một lĩnh vực nghiên cứu mới hơn, cũng cần phát triển thêm để tối ưu hóa hiệu suất của pin natri-ion.
Nhìn chung, pin natri-ion cung cấp giải pháp thay thế bền vững và tiết kiệm chi phí cho các phân khúc cụ thể trên thị trường xe điện. Các công ty như BYD, CATL và Faradion đang đầu tư vào phát triển pin natri-ion. Công nghệ này có tiềm năng đóng một vai trò quan trọng trong việc bổ sung pin lithium-ion và đa dạng hóa bối cảnh xe điện, giúp biến xe điện trở thành giải pháp giao thông bền vững và dễ tiếp cận hơn.
Pin "metal-air” (kim loại – khí), lựa chọn bền vững
Một loại pin EV mới nổi khác đang được phát triển là kim loại - khí, bao gồm các công nghệ như kẽm - khí, nhôm - khí và sắt - khí.
Pin kim loại – khí là một loại pin đặc biệt có các điện cực kim loại tương tác với không khí thay vì chất lỏng. Giống như pin thể rắn, các chất hóa học pin kim loại - khí tự hào có tiềm năng về mật độ năng lượng cao hơn đáng kể so với pin lithium-ion giúp mở rộng phạm vi lái xe cho xe điện. Một số loại pin kim loại - khí, như kẽm - khí, sử dụng các nguyên tố sẵn có, loại bỏ nhu cầu về chất điện phân phức tạp và có khả năng gây hại để có một lựa chọn bền vững hơn. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào cũng hứa hẹn khả năng giảm giá thành sản xuất pin.
Tuy nhiên, giống như tất cả các lựa chọn pin, vẫn còn những thách thức đáng kể đối với pin kim loại - khí trước khi triển khai rộng rãi trên thị trường xe điện. Công nghệ pin kim loại - khí hiện nay có tuổi thọ ngắn hơn so với lithium-ion và việc sạc lại thường xuyên có thể làm giảm đáng kể dung lượng của pin.
Cả lithium – khí và một số loại pin kim loại - khí khác, như nhôm, đều phải đối mặt với vấn đề hình thành dendrite kim loại. Những cấu trúc này có thể làm hỏng pin và giảm tuổi thọ của pin. Pin kim loại - khí yêu cầu luồng không khí liên tục để hoạt động, đòi hỏi hệ thống lọc và hút khí hiệu quả, điều này làm tăng thêm độ phức tạp cho thiết kế hệ thống và tăng mức tiêu thụ năng lượng.
Bất chấp điều đó, pin kim loại - khí vẫn mang lại những khả năng thú vị cho tương lai của xe điện do mật độ năng lượng lý thuyết cao và tiềm năng cho một phương pháp tiếp cận bền vững hơn. Những khả năng này đã thúc đẩy các công ty như Duracell, Rayovac và Nantenergy đầu tư vào phát triển pin kim loại - khí. Nhìn chung, pin kim loại - khí hứa hẹn mang lại tương lai cho xe điện, nhưng cần tiếp tục cải tiến trước khi chúng có thể cạnh tranh hiệu quả với công nghệ lithium-ion trên thị trường phổ thông.
Cách tiếp cận đa dạng hơn
Ngành công nghiệp ô tô và hóa chất đang nghiên cứu nhiều công nghệ pin mới với nhiều loại hóa chất và cấu trúc. Điều này có lợi cho sự phát triển của xe điện vì rất có thể sẽ cần một cách tiếp cận đa dạng để thu hút các yêu cầu thị trường và trường hợp sử dụng khác nhau. Giống như nhiều công nghệ đốt trong bao gồm tăng áp, phun nhiên liệu trực tiếp và bố trí xi-lanh, ắc quy xe điện sẽ có nhiều lựa chọn khác nhau để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Mặc dù pin lithium-ion sẽ tiếp tục là lựa chọn chủ đạo cho xe điện trong thời gian tới nhưng ngành công nghiệp này không phụ thuộc vào việc đây là giải pháp duy nhất cho một tương lai điện khí hóa.
Khả năng lựa chọn từ nhiều loại pin sẽ cho phép các nhà sản xuất ô tô phục vụ các phương tiện đáp ứng nhu cầu và sở thích cụ thể của thị trường. Mặc dù hiện tại vẫn còn những hạn chế về phạm vi hoạt động và thời gian sạc của xe điện, nhưng việc thử nghiệm và phát triển các loại pin có cấu tạo khác nhau mang lại cho ngành công nghiệp cơ hội tốt nhất để vượt qua những rào cản này. Bởi vì một khi những rào cản đó được dỡ bỏ, quá trình chuyển đổi sang điện khí hóa sẽ diễn ra mạnh mẽ và nhanh chóng.