Hướng dẫn của GlobalData về các công nghệ truyền động EV cạnh tranh
Pin là thùng dầu của thế kỷ 21
Trong thập kỷ qua, ngành công nghiệp pin đã tiến triển đủ để cho phép các thiết bị điện tử tiêu dùng di động, internet di động, những chiếc ô tô điện đầu tiên và việc áp dụng ban đầu lưu trữ và tạo ra năng lượng tái tạo không liên tục. Với vai trò ngày càng tăng và mở rộng của năng lượng được lưu trữ trong việc giải quyết biến đổi khí hậu, nó sẽ trở thành một trong những ngành công nghiệp quan trọng nhất thế giới trong mười năm tới.
Liệu có đủ pin không?
Khi các chính phủ trên toàn thế giới nghiêm túc thực hiện mục tiêu phi carbon hóa nền kinh tế, nhu cầu về pin giá rẻ, an toàn, hiệu suất cao, bền lâu và ít phát thải carbon sẽ tăng vọt, đáng chú ý nhất là từ ngành công nghiệp ô tô.
Do đó, tình trạng tắc nghẽn chuỗi cung ứng sẽ xuất hiện trong thập kỷ tới. Việc thiếu nguyên liệu thô giá rẻ, dễ tinh chế để cung cấp cho các nhà máy sản xuất pin gigafactory hiện có và đang được lên kế hoạch trên thế giới là mối đe dọa lớn nhất đối với an ninh nguồn cung. Hơn nữa, sự suy giảm đầu tư vào các mỏ khoáng sản quan trọng - cùng với tầm quan trọng ngày càng tăng của các yếu tố môi trường, xã hội và quản trị (ESG) - sẽ hạn chế việc phát triển năng lực mới.
Có khả năng sẽ xảy ra tình trạng thiếu hụt pin toàn cầu nghiêm trọng nhưng tạm thời vào năm 2025 do nhu cầu về xe điện (EV) tăng mạnh và thiếu hụt kim loại pin khai thác và tinh chế. Tuy nhiên, ngành công nghiệp đang đầu tư mạnh mẽ để ngăn chặn tình trạng này trở thành mối đe dọa kéo dài bằng cách giảm sử dụng vật liệu khan hiếm, phát triển vật liệu và công nghệ pin mới và quan trọng nhất là tạo ra ngành công nghiệp tái chế pin toàn cầu.
Trong khi đó, việc Trung Quốc kiểm soát toàn bộ chuỗi cung ứng toàn cầu, từ các mỏ và nhà máy lọc dầu đến các đơn vị đánh dấu linh kiện và nhà sản xuất pin, là một vấn đề địa chính trị ngày càng gia tăng. Hoa Kỳ và Châu Âu đang thực hiện các bước quan trọng để giảm sự phụ thuộc vào Trung Quốc trong chuỗi cung ứng pin của họ vào năm 2030. Tái chế pin liên quan nhiều đến địa chính trị cũng như tính bền vững của môi trường. Nền kinh tế pin tuần hoàn sẽ rất quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng và các quốc gia (và công ty) phải phát triển hoạt động tái chế trong nước khi khối lượng xe điện và khối lượng xe hết vòng đời tăng mạnh.
Hóa học – một số nguyên tắc cơ bản
Công nghệ pin bao gồm nhiều loại hóa chất, nhiều loại pin khác nhau và nhiều công nghệ thay thế.
Pin là một vật chứa gồm một hoặc nhiều cell điện hóa trong đó năng lượng hóa học được chuyển đổi thành điện. Chúng được sử dụng như một nguồn năng lượng. Pin là chất xúc tác quan trọng cho nhiều công nghệ khác. Chúng là một phần không thể thiếu trong lối sống di động hiện đại và sản xuất hàng loạt xe điện (EV). Công nghệ lưu trữ năng lượng và pin sẽ là nền tảng trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo.
Có hai loại cell pin: cell chính và cell phụ.
- Pin sơ cấp tạo ra dòng điện thông qua phản ứng hóa học không thể đảo ngược và được gọi là pin dùng một lần.
- Các cell thứ cấp tạo ra dòng điện này thông qua phản ứng hóa học thuận nghịch. Chúng thường được gọi là pin sạc hoặc cell lưu trữ.
Pin nhiên liệu là một nguồn năng lượng khác, nhưng nó không phải là pin. Pin tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng các hóa chất có sẵn bên trong chúng. Ngược lại, pin nhiên liệu sử dụng nguồn nhiên liệu liên tục, bên ngoài chảy qua nó như là nguồn hóa chất để tạo ra điện. Pin nhiên liệu đã được sử dụng trong các tàu thăm dò không gian không người lái, ô tô và để dự phòng nguồn điện khẩn cấp. Tuy nhiên, nhiên liệu được sử dụng - thường là hydro - được coi là quá nguy hiểm để sử dụng hàng ngày.
Pin chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện
Pin lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua phản ứng điện hóa. Pin bao gồm ba thành phần chính: điện cực dương (cathode), điện cực âm (anode) và chất điện phân. Hai điện cực được làm bằng vật liệu khác nhau. Các điện cực được tách biệt với nhau bằng một bộ tách, có khả năng bán thấm đối với một số loại hóa chất nhất định và pin được đặt trong một vỏ bọc.
Khi pin được kết nối với mạch điện, phản ứng điện hóa xảy ra. Electron chảy từ cực dương, qua dây dẫn để cấp nguồn cho thiết bị được kết nối và đến cực âm.
Mỗi cell pin chứa một lượng vật liệu phản ứng hạn chế. Cuối cùng, các quá trình điện hóa bên trong pin sẽ ngừng cung cấp electron cho điện cực âm và dòng điện sẽ ngừng chảy. Vì lý do này, năng lượng có sẵn trong pin bị hạn chế.
Sạc lại
Pin thứ cấp có thể được sạc lại bằng nguồn bên ngoài, chẳng hạn như tấm pin mặt trời, tua bin gió, phanh ô tô hoặc điện lưới. Trong quá trình sạc lại, các phản ứng điện hóa diễn ra theo chiều ngược lại, khôi phục pin và các thành phần của pin về trạng thái gần như ban đầu. Tuy nhiên, các hiện tượng như pin cứng lại và hình thành dendrite ngăn pin sạc lại vô số lần. Dendrite có thể dẫn đến hiện tượng đoản mạch nguy hiểm, mặc dù các bộ tách gốm đang được phát triển để giúp giảm thiểu vấn đề này.
Lithium-ion (Li-ion) là công nghệ pin chủ đạo cho các thiết bị kết nối (ví dụ: máy tính xách tay và điện thoại thông minh), xe điện (EV) và lưu trữ năng lượng tái tạo tại nhà. Trong tất cả các trường hợp sử dụng này, sự an toàn là vô cùng quan trọng. Li-ion chiến thắng trong các lĩnh vực này vì tính an toàn của nó. Khi nhu cầu về pin nhỏ hơn, mạnh hơn với vòng đời dài hơn tăng lên, các nhà nghiên cứu đang tích cực cố gắng giải quyết các vấn đề về đoản mạch và quá nhiệt, có thể dẫn đến hỏa hoạn và nổ nguy hiểm.
Pin Li-ion lưu trữ nhiều năng lượng hơn cho một trọng lượng nhất định (mật độ năng lượng)
Pin Li-ion có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn cho một trọng lượng và thể tích nhất định so với pin chì-axit hoặc pin NiMH và cho phép sạc và xả nhanh hơn. Những đặc tính này làm cho chúng trở nên lý tưởng để lưu trữ năng lượng cho xe điện, nơi mật độ năng lượng lớn trong một gói nhẹ là điều cần thiết.
Pin lithium sắt phosphate (LFP) là một loại pin khác được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay ngày nay. LFP có mật độ năng lượng thấp hơn pin Li-ion, vì vậy pin Li-ion thường là lựa chọn thông thường cho các thiết bị điện tử ngốn điện khiến pin bị cạn kiệt ở tốc độ cao. Tuy nhiên, LFP có thể chịu được nhiệt độ cao với mức suy giảm tối thiểu và phù hợp với các vật thể cần chạy trong thời gian dài trước khi được sạc. Ngoài ra, pin LFP thường có vòng đời dài hơn pin Li-ion. Nghĩa là chúng có thể được sạc và xả nhiều lần hơn. Có thể nói, một trong những ưu điểm lớn nhất của LFP so với pin Li-ion là tính an toàn. Độ ổn định nhiệt và hóa học được cải thiện có nghĩa là LFP vẫn mát ở nhiệt độ cao và không bắt lửa (không bắt lửa) nếu xử lý không đúng cách trong quá trình sạc hoặc xả nhanh hoặc trong quá trình đoản mạch.
Các loại hóa chất pin tiên tiến cũng đang được phát triển có thể mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các loại pin thương mại hiện có.
Các lợi thế về hiệu suất bao gồm trọng lượng nhẹ hơn, mật độ năng lượng cao hơn, khả năng chịu nhiệt độ rộng hơn, vòng đời kéo dài và độ an toàn được cải thiện. Ví dụ, chất điện phân lỏng trong pin Li-ion có thể trở nên cực kỳ dễ bay hơi nếu tiếp xúc với không khí bên ngoài, chẳng hạn như trong trường hợp va chạm hoặc hỏng cấu trúc của cell. Các đám cháy pin Lithium đặc biệt dữ dội và khó dập tắt, thường phải ngâm hoàn toàn trong nước trong nhiều ngày để trở nên trơ hoàn toàn. Không có bằng chứng nào cho thấy cháy xe điện xảy ra thường xuyên hơn cháy xe đốt trong - thực tế, chúng thậm chí có thể ít xảy ra hơn về mặt thống kê.
Tuy nhiên, các nhà sản xuất xe điện vẫn phải trấn an công chúng rằng xe của họ an toàn. Việc Samsung ra mắt thảm họa Galaxy Note 7, một chiếc điện thoại thông minh bị cháy pin Li-ion, đã đưa mối nguy hiểm tiềm tàng của loại pin này vào tầm mắt công chúng – một sai lầm mà các nhà sản xuất xe điện sẽ không muốn lặp lại.
Pin thể rắn là lựa chọn khả thi tiếp theo
Pin thể rắn thường sử dụng cùng phản ứng hóa học dựa trên ion lithium để lưu trữ và giải phóng năng lượng như pin thông thường. Sự khác biệt nằm ở chất điện phân được sử dụng để tách cực dương và cực âm. Pin thông thường sử dụng chất điện phân dạng lỏng – thường là muối lithium được treo trong dung môi hữu cơ – trong khi pin thể rắn thay thế bằng chất điện phân rắn mỏng như wafer, thường được làm từ gốm, polyme hoặc thủy tinh.
Việc loại bỏ chất điện phân lỏng mang lại nhiều lợi ích tiềm năng. Các cell thể rắn nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn so với các cell dạng lỏng, nghĩa là có thể giảm trọng lượng của bộ pin hoặc tăng dung lượng năng lượng. Chúng sẽ chống lại sự hình thành dendrite lithium tốt hơn, điều này sẽ cải thiện hiệu suất xả điện và tăng tốc độ sạc tiềm năng, cùng với việc kéo dài tuổi thọ của bộ pin. Ngoài ra, sau khi sản xuất hàng loạt, chúng sẽ dễ dàng và nhanh hơn so với các cell Li-ion thông thường nhờ loại bỏ dung môi công nghiệp.
Thậm chí còn có nhiều lợi ích rõ rệt hơn do pin thể rắn mang lại trong lĩnh vực an toàn pin. Các vụ cháy do pin lithium-ion bị lỗi hoặc hư hỏng đã được công bố rộng rãi (ví dụ như Chevrolet Bolt và pin do LG cung cấp). Trong nhiều trường hợp, các vụ cháy này xảy ra do lỗi bên trong hoặc hư hỏng bên ngoài khiến chất điện phân lithium dễ bay hơi tiếp xúc với không khí bên ngoài, khiến nó bốc cháy và gây ra phản ứng dây chuyền có thể phá hủy toàn bộ cụm pin. Chất điện phân rắn hoàn toàn tránh được những vấn đề này và có khả năng chống cháy nổ cao - ngay cả khi chúng bị thủng hoặc va đập.
Mặc dù chúng mang lại nhiều lợi ích lý thuyết, nhưng chưa có công ty nào chứng minh được khả năng sản xuất hàng loạt pin thể rắn cho xe hạng nhẹ, với hầu hết vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm trên băng ghế. Vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết bao gồm thiết kế chất điện phân rắn và điện cực theo cách mà chúng tiếp xúc đều trên toàn bộ bề mặt của chúng, vì bất kỳ sự cong vênh nào cũng có thể tạo ra các khoảng trống làm hạn chế hiệu suất của pin. Ngoài ra, độ ổn định của vật liệu đã được chứng minh là một vấn đề, với độ giòn của chất điện phân dẫn đến các vết nứt cực nhỏ làm hạn chế hiệu suất của pin.
Blue Solutions, một công ty con của Bolloré của Pháp, đã giành được hợp đồng cung cấp pin thể rắn cho xe buýt đô thị khớp nối eCitaro G của Daimler – thỏa thuận cung cấp thương mại đầu tiên được ghi nhận cho công nghệ này. Tuy nhiên, pin thể rắn tùy chọn cần phải được làm nóng một cách có chủ đích đến nhiệt độ hoạt động tương đối cao từ 50C đến 80C – làm giảm một số phạm vi trong quá trình này và khiến nó không phù hợp để sử dụng trong các loại xe hạng nhẹ với kiểu sử dụng không thể đoán trước của chúng.
Pin nhiên liệu (hydro) – một canh bạc dài hạn
Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) tạo ra năng lượng trên xe bằng cách oxy hóa nhiên liệu – thường là hydro – thông qua màng pin nhiên liệu, với lượng khí thải duy nhất là nước. Năng lượng này có thể được truyền trực tiếp đến động cơ điện hoặc được lưu trữ trong một pin riêng để sử dụng sau. FCEV có thể được 'nạp nhiên liệu' nhanh chóng tương tự như xe đốt trong bằng cách nạp đầy bình bằng hydro, loại bỏ thời gian sạc lại dài mà BEV yêu cầu. Xu hướng chuyển sang hydro cũng được thúc đẩy một phần bởi vai trò tiềm năng của nó như một phần của nền kinh tế năng lượng tuần hoàn. Ở đây, năng lượng gió hoặc thủy điện tái tạo được sử dụng để tách hydro từ nước biển. Sau đó, hydro hoạt động như một kho lưu trữ năng lượng ngoài giờ cao điểm được tạo ra bởi các nguồn đó.
Mặc dù FCEV có nhiều lợi ích tiềm năng, công nghệ này cần được cải tiến trước khi có thể cạnh tranh với BEV. Chi phí tạo ra hydro hiện cao hơn chi phí sản xuất xăng, khiến việc nạp lại trở nên đắt đỏ. Thêm vào đó, cơ sở hạ tầng hỗ trợ FCEV vẫn chưa được xây dựng, trong khi mạng lưới sạc EV đã phát triển nhanh chóng.
FCEV có thể có giá trị lớn nhất đối với xe tải hạng nặng và xe thương mại. Pin nặng nên không phù hợp với xe tải đường dài vì trọng lượng của pin cần thiết sẽ sử dụng quá nhiều khả năng chuyên chở tiềm năng. Các tuyến đường có thể dự đoán được mà xe tải đường dài đi qua cũng cần ít trạm tiếp nhiên liệu hydro hơn để phục vụ hiệu quả.
Về bản chất, ngành công nghiệp này coi FCEV là hướng đi khả thi cho ngành vận tải trong dài hạn – với ứng dụng ban đầu có thể là trên các loại xe thương mại hạng nặng cùng với mạng lưới trạm sạc vòng kín.
Nguồn từ Chỉ tự động
Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Thông tin nêu trên được cung cấp bởi just-auto.com độc lập với Chovm.com. Chovm.com không tuyên bố và bảo đảm về chất lượng và độ tin cậy của người bán và sản phẩm.
