Quy trình sản xuất được nhóm cải tiến giúp ngăn ngừa hiện tượng mạ lithium, duy trì 97% dung lượng pin sau 100 chu kỳ sạc nhanh trong nhiệt độ đóng băng.

Các kỹ sư của Đại học Michigan đã phát triển quy trình sản xuất được sửa đổi cho pin xe điện (EV) giúp tăng đáng kể tốc độ sạc trong thời tiết lạnh. Sáng kiến ​​này giải quyết một trong những mối quan tâm lớn nhất đối với việc áp dụng EV - hiệu suất giảm ở nhiệt độ thấp.

Neil Dasgupta, Phó Giáo sư khoa kỹ thuật cơ khí, khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UM cho biết: "Chúng tôi hình dung cách tiếp cận này là điều mà các nhà sản xuất pin EV có thể áp dụng mà không cần thay đổi lớn các nhà máy hiện có".

Nghiên cứu này phác thảo một con đường mới để đạt được tốc độ sạc cực nhanh ở nhiệt độ thấp mà không làm giảm mật độ năng lượng.

Pin lithium-ion sử dụng phương pháp này có thể sạc nhanh hơn 500% ngay cả ở nhiệt độ thấp tới 14°F (-10°C). Cải tiến chính đến từ việc sửa đổi cấu trúc và lớp phủ giúp ngăn chặn lớp mạ lithium trên các điện cực, một vấn đề phổ biến làm giảm hiệu suất của pin. Do đó, loại pin này vẫn giữ được 97% dung lượng sau 100 chu kỳ sạc nhanh trong điều kiện dưới mức đóng băng.

Sự đổi mới hoạt động như thế nào?

Pin EV tiêu chuẩn lưu trữ và giải phóng năng lượng bằng cách di chuyển ion lithium giữa các điện cực thông qua chất điện phân dạng lỏng. Tuy nhiên, ở nhiệt độ lạnh, chuyển động này chậm lại, làm giảm hiệu suất pin và tốc độ sạc. Để mở rộng phạm vi, các nhà sản xuất ô tô đã làm cho điện cực pin dày hơn, nhưng điều này cũng làm chậm quá trình sạc.

Trước đây, nhóm của Dasgupta đã phát triển kỹ thuật để cải thiện tốc độ sạc bằng cách tạo ra các đường dẫn có kích thước 40 micron trong cực dương. Sử dụng phương pháp khoan laser, họ cho phép các ion lithium di chuyển tự do hơn, cải thiện quá trình sạc ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, sạc lạnh vẫn là thách thức.

Bộ pin EV trên dây chuyền sản xuất được trang bị cánh tay robot bên trong nhà máy hiện đại. (Hình ảnh minh họa)

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra một lớp hóa chất hình thành trên bề mặt điện cực trong điều kiện lạnh chính là thủ phạm. "Lớp mạ đó ngăn không cho toàn bộ điện cực được sạc, một lần nữa làm giảm khả năng cung cấp năng lượng của pin", Manoj Jangid, nghiên cứu viên cao cấp về kỹ thuật cơ khí và là đồng tác giả của nghiên cứu giải thích.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một lớp phủ thủy tinh mỏng 20 nanomet làm từ lithium borat-cacbonat. Điều này ngăn chặn lớp bề mặt có vấn đề hình thành và khi kết hợp với các kênh khoan laser, dẫn đến việc sạc nhanh hơn 500% ở nhiệt độ đóng băng.

Tae Cho, một tiến sĩ mới tốt nghiệp ngành kỹ thuật cơ khí và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Nhờ sự kết hợp giữa kiến ​​trúc 3D và giao diện nhân tạo, công trình này có thể đồng thời giải quyết được vấn đề nan giải là sạc nhanh ở nhiệt độ thấp khi lái xe đường dài".

Giải pháp cho mối quan tâm của người tiêu dùng

Trong khi xe điện ngày càng phổ biến, người tiêu dùng vẫn còn do dự. Một cuộc khảo sát gần đây của AAA cho thấy tỷ lệ người lớn ở Hoa Kỳ có khả năng mua xe điện đã giảm từ 23% vào năm 2023 xuống còn 18% vào năm 2024.

Một trong những mối lo ngại lớn nhất là phạm vi hoạt động của EV giảm vào mùa đông, kết hợp tốc độ sạc chậm hơn. Các báo cáo từ đợt lạnh giá tháng 1 năm 2024 đã nêu bật rằng thời gian sạc cho một số xe kéo dài hơn một giờ do nhiệt độ đóng băng.

“Sạc pin EV mất 30 đến 40 phút ngay cả khi sạc nhanh và thời gian đó tăng lên hơn một giờ vào mùa đông. Đây là điểm khó khăn mà chúng tôi muốn giải quyết”, Dasgupta cho biết trong thông cáo báo chí.

Nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Pin UM và Trung tâm Đặc tính Vật liệu Michigan. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế với sự hỗ trợ từ UM Innovation Partnerships. Trong khi đó, Arbor Battery Innovations đã cấp phép công nghệ kênh và đang tiến tới thương mại hóa.

Nguồn: vietq.vn