Bí quyết để kéo dài tuổi thọ của pin sạc có thể nằm ở việc chấp nhận sự khác biệt. Mô hình mới về cách các cell lithium-ion trong một bộ pin bị suy giảm cho thấy một cách để điều chỉnh quá trình sạc cho phù hợp với dung lượng của từng cell, nhờ đó pin xe điện có thể chịu được nhiều chu kỳ sạc hơn và tránh bị hỏng.

Nghiên cứu này, được công bố vào ngày 5 tháng 11 trênGiao dịch IEEE về Công nghệ Hệ thống Điều khiểnĐiều này cho thấy việc chủ động quản lý lượng dòng điện chảy đến từng cell trong bộ pin, thay vì cung cấp điện tích đồng đều, có thể giảm thiểu sự hao mòn. Phương pháp này giúp mỗi cell có thể hoạt động hiệu quả nhất – và lâu nhất.

Theo giáo sư Simona Onori của Đại học Stanford, tác giả chính của nghiên cứu, các mô phỏng ban đầu cho thấy pin được quản lý bằng công nghệ mới có thể chịu được ít nhất 20% chu kỳ sạc-xả nhiều hơn, ngay cả khi sạc nhanh thường xuyên, điều này gây thêm áp lực lên pin.

Hầu hết các nỗ lực trước đây nhằm kéo dài tuổi thọ pin xe điện đều tập trung vào việc cải thiện thiết kế, vật liệu và quy trình sản xuất của từng cell pin riêng lẻ, dựa trên giả định rằng, giống như các mắt xích trong một chuỗi, một bộ pin chỉ tốt bằng cell yếu nhất của nó. Nghiên cứu mới bắt đầu với sự hiểu biết rằng mặc dù các mắt xích yếu là không thể tránh khỏi – do những khiếm khuyết trong sản xuất và do một số cell bị xuống cấp nhanh hơn những cell khác khi chúng tiếp xúc với các tác động như nhiệt – nhưng chúng không nhất thiết phải làm hỏng toàn bộ bộ pin. Mấu chốt là điều chỉnh tốc độ sạc phù hợp với dung lượng riêng của từng cell để ngăn ngừa sự hỏng hóc.

“Nếu không được xử lý đúng cách, sự không đồng nhất giữa các cell pin có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ, tình trạng hoạt động và độ an toàn của bộ pin, đồng thời gây ra sự cố sớm”, Onori, trợ lý giáo sư kỹ thuật khoa học năng lượng tại Trường Phát triển bền vững Stanford Doerr, cho biết. “Phương pháp của chúng tôi cân bằng năng lượng trong mỗi cell của bộ pin, đưa tất cả các cell đến trạng thái sạc cuối cùng mong muốn một cách cân bằng và cải thiện tuổi thọ của bộ pin.”

Lấy cảm hứng từ việc chế tạo pin có tuổi thọ một triệu dặm.

Một phần động lực cho nghiên cứu mới này bắt nguồn từ thông báo năm 2020 của Tesla, công ty sản xuất ô tô điện, về việc nghiên cứu "pin có tuổi thọ một triệu dặm". Đây là loại pin có khả năng cung cấp năng lượng cho ô tô chạy được 1 triệu dặm hoặc hơn (với việc sạc thường xuyên) trước khi đạt đến điểm mà, giống như pin lithium-ion trong điện thoại hoặc máy tính xách tay cũ, pin của xe điện tích trữ quá ít điện năng để hoạt động.

Loại pin như vậy sẽ vượt xa thời hạn bảo hành thông thường của các nhà sản xuất ô tô đối với pin xe điện, vốn là tám năm hoặc 100.000 dặm. Mặc dù các bộ pin thường có tuổi thọ cao hơn thời hạn bảo hành, nhưng niềm tin của người tiêu dùng vào xe điện có thể được củng cố nếu việc thay thế bộ pin đắt tiền trở nên hiếm gặp hơn nữa. Một loại pin vẫn có thể giữ được điện sau hàng nghìn lần sạc cũng có thể mở đường cho việc điện khí hóa xe tải đường dài, và cho việc áp dụng các hệ thống gọi là xe-lưới điện, trong đó pin xe điện sẽ lưu trữ và phân phối năng lượng tái tạo cho lưới điện.

“Sau đó người ta giải thích rằng khái niệm pin có tuổi thọ một triệu dặm thực chất không phải là một công nghệ hóa học mới, mà chỉ là một cách để vận hành pin mà không cần sử dụng hết công suất sạc,” Onori nói. Các nghiên cứu liên quan tập trung vào các tế bào lithium-ion đơn lẻ, thường không bị giảm dung lượng sạc nhanh như các bộ pin hoàn chỉnh.

Tò mò, Onori và hai nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của cô – nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Vahid Azimi và nghiên cứu sinh tiến sĩ Anirudh Allam – đã quyết định điều tra xem việc quản lý sáng tạo các loại pin hiện có có thể cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của một bộ pin hoàn chỉnh, có thể chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn cell pin, như thế nào.

Mô hình pin có độ chính xác cao

Bước đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mô hình máy tính có độ chính xác cao về hoạt động của pin, mô phỏng chính xác các thay đổi vật lý và hóa học diễn ra bên trong pin trong suốt vòng đời hoạt động của nó. Một số thay đổi này diễn ra chỉ trong vài giây hoặc vài phút – số khác thì kéo dài hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm.

“Theo như chúng tôi biết, chưa có nghiên cứu nào trước đây sử dụng loại mô hình pin đa thang thời gian, độ chính xác cao mà chúng tôi đã tạo ra,” Onori, giám đốc Phòng thí nghiệm Kiểm soát Năng lượng Stanford, cho biết.

Việc chạy mô phỏng với mô hình cho thấy rằng một bộ pin hiện đại có thể được tối ưu hóa và kiểm soát bằng cách chấp nhận sự khác biệt giữa các tế bào cấu thành của nó. Onori và các đồng nghiệp hình dung mô hình của họ sẽ được sử dụng để hướng dẫn phát triển các hệ thống quản lý pin trong những năm tới, có thể dễ dàng triển khai trong các thiết kế xe hiện có.

Không chỉ xe điện mới được hưởng lợi. Hầu như bất kỳ ứng dụng nào "gây áp lực lớn lên bộ pin" đều có thể là ứng cử viên tốt cho việc quản lý tốt hơn dựa trên kết quả nghiên cứu mới, ông Onori cho biết. Một ví dụ? Máy bay không người lái có khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng bằng điện, đôi khi được gọi là eVTOL, mà một số doanh nhân kỳ vọng sẽ vận hành như taxi hàng không và cung cấp các dịch vụ di chuyển hàng không đô thị khác trong thập kỷ tới. Tuy nhiên, các ứng dụng khác cho pin lithium-ion sạc lại cũng rất hứa hẹn, bao gồm hàng không dân dụng và lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn.

“Pin lithium-ion đã thay đổi thế giới theo rất nhiều cách,” Onori nói. “Điều quan trọng là chúng ta phải tận dụng tối đa công nghệ mang tính đột phá này và các thế hệ kế tiếp của nó.”