Những thách thức đối với “sức khỏe” pin xe điện

[Romano]

PGS.TS Đàm Hoàng Phúc phân tích các thách thức với “sức khỏe” của pin xe điện, nhất là trong những ngày cao điểm nắng nóng.Theo PGS.TS Đàm Hoàng Phúc, Giám đốc Chương trình đào đạo kỹ thuật ô tô (Đại học Bách khoa Hà Nội), các vấn đề về chất lượng và sự suy hao pin được chia thành hai nguyên nhân chính như sau:

Lão hóa pin

Quá trình lão hóa là những thay đổi không thể đảo ngược về đặc tính của chất điện phân, cực dương và cực âm cũng như cấu trúc của các thành phần được sử dụng trong pin.

Quá trình lão hóa pin có thể được phân thành hai loại:

Một là quá trình lão hóa liên quan đến sự xuống cấp dần theo thời gian có thể theo dõi được.

Hai là quá trình xuống cấp âm thầm không có dấu hiệu cụ thể nào, cho đến khi xảy ra sự cố lớn hoặc bị thay đổi nhanh chóng về hiệu suất (pin sập nguồn bất thường).

Minh chứng về điều này là quá trình hình thành chất dendrite trong pin lithium-ion.

Theo thời gian, các hạt lithi cực nhỏ sẽ tạo ra cấu trúc sợi được gọi là dendrite trên cực dương carbon.

Khi cấu trúc này đủ lớn, hiện tượng đoản mạch có thể xảy ra, làm nhiệt độ tăng đột ngột và dẫn đến cháy nổ pin. Đây chính là vấn đề an toàn quan trọng đối với pin.

Những vấn đề này sẽ được đảm bảo bằng chất lượng chế tạo ra các tế bào pin (gọi tắt là cell pin), phải được kiểm soát chặt chẽ từ khâu sản xuất vật liệu cho đến đóng gói thành các cell pin.

Tuổi thọ hữu ích của pin

Đây chính là sự duy giảm dung lượng hữu dụng của pin theo thời gian sử dụng, tính bằng số lần sạc - xả thực tế.

Các yếu tố ảnh hưởng nghiêm trọng đến dung lượng hữu dụng của pin là: Nhiệt độ môi trường; Cường độ dòng phóng; Cường độ dòng sạc (sạc nhanh); Độ sâu xả (DoD); Khoảng thời gian giữa các chu kỳ sạc đầy.

Nếu điện áp của sạc cao hơn điện áp sạc tối đa thì pin sẽ bị quá tải; nếu nó thấp hơn điện áp phóng giới hạn, thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện quá mức.

Do đó, có hai ngưỡng tới hạn, được xác định dựa trên loại pin Li-ion (ví dụ: điện áp tối đa cho LiCoO2 là 4,35v và điện áp tối đa cho LiFePO4 là 3,7v).

Pin đã được thiết kế để hoạt động trong phạm vi chấp nhận được, vì vậy bất kỳ trường hợp sạc - xả quá mức nào cũng có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp của pin và rút ngắn tuổi thọ hữu ích của pin.

Tuy nhiên, ngay cả trong phạm vi chấp nhận được, tốc độ xuống cấp của pin vẫn phụ thuộc vào cường độ dòng sạc hoặc phóng.

Thông thường, cường độ dòng phóng phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện vận hành. Trong hầu hết các trường hợp, các nhà thiết kế xe điện đặt ngưỡng để giới hạn cường độ dòng phóng tối đa.

Trong quá trình sạc, cường độ dòng sạc vẫn khá ổn định. Cường độ dòng sạc cao hơn có thể sạc pin nhanh hơn, mặt khác, nó cũng có thể làm giảm tuổi thọ của pin.

Hệ thống quản lý pin (BMS) tốt sẽ điều khiển được sự cân bằng giữa tốc độ sạc và tác động của tốc độ này đối với tuổi thọ của pin.

Vì sao pin nhạy cảm với nhiệt độ?

Theo PGS.TS Đàm Hoàng Phúc, quá trình sạc pin rất nhạy cảm với nhiệt độ môi trường.

Nhiệt độ thấp làm giảm tuổi thọ của pin do điện trở bên trong tăng lên. Tuy nhiên, nhiệt độ cao không chỉ làm giảm tuổi thọ của pin mà nguy cơ hư hại pin nghiêm trọng cũng tăng lên.

Ví dụ, điện trở của pin LiFePO4 ở nhiệt độ 60 độ C cao gấp 5 lần so với ở ngưỡng nhiệt 25 độ C.

Nhằm giảm giá thành pin, các xe điện giá rẻ thường sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí.

Với điều kiện nắng nóng như đầu tháng 7/2023, nhiệt độ mặt đường có thể hơn 50 độ C thì hệ thống làm mát bằng không khí không thể đủ sức làm mát cho pin.Ngoài ra, để giảm giá thành, hệ thống quản lý pin thường được thiết kế đơn giản không thể đảm nhiệm được khả năng kiểm soát ngưỡng tới hạn tới từng cell pin, dẫn đến sự mất cân bằng điện áp giữa các cell tăng nhanh.

Bên cạnh đó, do dung lượng pin nhỏ, nên sẽ thường xuyên phải sử dụng pin ở vùng dưới 20%, điều này kích thích việc hình thành dendrite trong pin lithium-ion.

Tất cả những điều này sẽ nhanh chóng rút ngắn tuổi thọ hữu ích của pin và tăng nguy cơ cháy nổ pin.

Với xe điện giá rẻ, có rất nhiều thứ để cắt giảm giá thành sản xuất, nhưng với pin thì không nên.

Sản xuất pin xe điện cần phải được kiểm soát chặt chẽ từ khâu sản xuất vật liệu cho đến việc thiết kế và lắp ráp thành các pack pin, nhằm đảm bảo an toàn trong những ngày thời tiết khắc nghiệt.