Chìa khóa cho tương lai phổ cập xe điện: Công nghệ sạc nhanh

Điều gì sẽ xảy ra nếu ô tô điện có giá rẻ hơn, thời gian sạc ngắn hơn và tốn ít nguyên liệu sản xuất hơn? Đó là tương lai mà một số chuyên gia về xe điện đang tập trung vào, theo Wall Street Journal.

Trong nhiều năm, người mua xe điện dường như chỉ quan tâm tới việc chiếc xe có thể đi được bao xa sau một lần sạc. Theo lý thuyết, xe điện có thể đi được quãng đường càng xa sau mỗi lần sạc càng tốt, nếu không, người dùng có thể cảm thấy lo lắng về việc hết điện giữa chừng.

Giờ đây, một số chuyên gia đang lập luận rằng việc hướng tới các phương tiện có thể chạy được quãng đường dài hơn với bộ pin lớn hơn là một cách nghĩ sai lầm trong việc cố gắng phổ cập phương tiện chạy điện vào đời sống con người. Thay vào đó, họ cho rằng đã đến lúc xem xét việc bán những chiếc xe có bộ pin nhỏ hơn, chạy được quãng đường ngắn hơn, nhưng có khả năng sạc nhanh hơn.

Để đạt được mục tiêu này đòi hỏi phải vượt qua những trở ngại đáng kể, bao gồm cả việc phát triển công nghệ pin vẫn còn non trẻ và tạo ra một mạng lưới trạm sạc nhanh rộng hơn. Dù vậy, lợi ích từ xe điện cỡ nhỏ có thể rất lớn.

Theo lý thuyết, một chiếc xe điện có khả năng sạc nhanh sẽ tốt hơn so với những chiếc xe điện sạc chậm đi kèm bộ pin lớn. Bên cạnh đó, những chiếc xe có khả năng sạc nhanh hơn cũng có thể có giá rẻ hơn.

Ngày nay, pin là yếu tố duy nhất lớn nhất khiến nhiều người không thể mua được xe điện. Vào năm 2022, chi phí về pin thực sự đã tăng lên so với năm 2021. Việc một chiếc xe điện được trang bị bộ pin lớn đồng nghĩa với chi phí tổng thể sẽ tăng lên, thậm chí còn tăng thêm trọng lượng xe, khiến việc hoạt động kém hiệu quả. Ngoài ra, công suất chế tạo pin có thể bị hạn chế trong một thời gian dài do thiếu nguyên liệu.

Lợi ích của công nghệ sạc nhanh

Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến - Năng lượng (ARPA-E), là cơ quan của chính phủ Mỹ, chuyên phân bổ các khoản hỗ trợ cho các nhà nghiên cứu làm việc liên quan tới công nghệ năng lượng đột phá ở giai đoạn đầu. Nó được mô phỏng theo Darpa, bộ phận nghiên cứu của Bộ Quốc phòng Mỹ, đã giúp tài trợ cho việc phát triển mọi thứ từ GPS đến internet.

Halle Cheeseman là người có thâm niên 40 năm trong ngành công nghiệp pin và trong hai năm qua đã đứng đầu chương trình ARPA-E nhằm giúp hạ giá xe điện và phổ cập phương tiện này tới người tiêu dùng. Để giải thích tiềm năng của các phương tiện xe điện cơ nhỏ, Tiến sĩ Cheeseman đã tạo ra một mô hình đơn giản.

Hãy tưởng tượng hai chiếc xe cùng đi từ Orlando tới Washington, D.C., khoảng cách khoảng 860 dặm. Trong đó, một chiếc xe có thể chạy được quãng đường 300 dặm sau một lần sạc và có thể sạc đầy trong khoảng một giờ, một thông số điển hình. Trong khi đó, một chiếc xe khác có bộ pin lớn chỉ bằng một nửa chiếc kia, có thể chạy tối đa 150 dặm sau một lần sạc, nhưng có thể sạc đầy chỉ trong 15 phút.

Khi đó, ngay cả khi cộng thêm tất cả thời gian cần thiết để lên và xuống đường cao tốc, chiếc xe có phạm vi hoạt động bằng một nửa nhưng tốc độ sạc nhanh gấp 4 lần vẫn đánh chiếc xe còn lại khi đến đích sớm trước 20 phút.

Trên thực tế, những người lái xe ở Mỹ sử dụng ô tô của họ để đi lại hàng ngày trong thành phố hơn là đi những chuyến đi đường dài, nhưng có những lý do khác khiến họ muốn có một chiếc xe điện có thể sạc nhanh.

Hơn 1/3 trong số họ không có gara để đỗ xe, đây là nơi mà hầu hết chủ sở hữu xe điện thường sạc pin cho phương tiện của họ. Việc sở hữu một chiếc ô tô điện có thể sạc đầy pin chỉ trong thời gian lâu hơn một chút so với thời gian đổ đầy bình xăng sẽ khiến những phương tiện đó trở nên hấp dẫn hơn trong mắt người tiêu dùng.

Một số xe điện đã được trang bị công nghệ sạc nhanh

Một số xe điện hiện nay đã được trang bị công nghệ sạc nhanh. Ví dụ, chiếc Kia EV6 2023 có thể chạy được quãng đường 500 km sau một lần sạc và có thể sạc từ 10% lên 80% chỉ trong 18 phút nếu được kết nối với “bộ sạc nhanh DC”.

Steve Kosowski, người đứng đầu bộ phận lập kế hoạch và chiến lược dài hạn của công ty, cho biết Kia Motors America, nơi thu thập một lượng lớn dữ liệu về tốc độ sạc của xe, nhận thấy rất nhiều trường hợp xe của họ đang sạc ở công suất định mức tối đa.

Tuy nhiên, giống như hầu hết nhà sản xuất ô tô khác, Kia cũng thất vọng với tình trạng mạng lưới trạm sạc tại Mỹ. Các bộ sạc nhanh nhất ở Mỹ thường phải đối mặt với các sự cố kỹ thuật khiến chúng giảm tốc độ sạc pin cho xe. Một số vấn đề thường gặp là dây cáp quá nóng hoặc không đủ điện kết nối vào bộ sạc.

Dự luật cơ sở hạ tầng được ký thành luật vào tháng 11/2021 đã dành 7,5 tỷ USD cho mục tiêu cuối cùng là xây dựng 500.000 trạm sạc ở Mỹ thông qua quan hệ đối tác liên quan đến đầu tư công và tư. Chương trình này sẽ ưu tiên xây dựng bộ sạc nhanh, nhưng trước đây các bang đã gặp khó khăn trong việc thực hiện điều này.

Hiện Mỹ có gần 50.000 bộ sạc công cộng, nhưng chỉ có khoảng 6.600 bộ sạc nhanh, trong đó khoảng 1.600 bộ thuộc về Tesla, theo Bộ Năng lượng Mỹ. Hiện chưa rõ có bao nhiêu bộ sạc mà chính phủ liên bang muốn chế tạo trong tương lai sẽ là bộ sạc nhanh.

Ngoài ra, mặc dù các phương tiện không phải của Tesla hiện có thể sạc tại các trạm sạc nhanh của Tesla, nhưng nhiều tài xế cảm thấy khó hoặc không thể làm như vậy, vì nhiều lý do khác nhau, chẳng hạn như phích cắm không tương thích hay dây cáp quá ngắn.

Cần sự đột phá về pin

Tiến sĩ Cheeseman cho biết, giả sử Mỹ cuối cùng cũng tung ra đủ các trạm sạc nhanh, thì việc liên tục giảm thời gian sạc xe xuống còn 15 phút là điều không thực tế với công nghệ pin ngày nay.

Một số công nghệ hứa hẹn có thể cho phép sạc pin nhanh hơn nhiều so với hiện nay. Tiến sĩ Cheeseman cho biết hiện tại, điều hạn chế tốc độ sạc ở hầu hết các loại pin là thành phần hóa học của cực dương - cực tích điện âm. Hầu hết cực dương trong pin xe điện được làm bằng than chì, loại vật liệu ngày càng khan hiếm và đắt đỏ.

Thay thế than chì bằng silicon là một cách tiềm năng để giúp sạc pin nhanh hơn. Giống như bọt biển, cả hai vật liệu đều hấp thụ các ion lithium khi pin đang sạc, nhưng silicon có thể hấp thụ gấp 10 lần, điều đó cũng có nghĩa là nó có thể hấp thụ các ion đó nhanh hơn.

Eric Wachsman, giám đốc Viện Sáng tạo Năng lượng Maryland tại Đại học Maryland, cho biết một cách tiếp cận tiềm năng khác là chuyển sang sử dụng pin “kim loại lithium”, đây có thể là một phần của pin thể rắn không chứa chất lỏng như hầu hết loại pin khác.

Công nghệ pin thể rắn ra đời từ phòng thí nghiệm của ông và được tài trợ bởi một khoản trợ cấp liên bang, kể từ đó đã trở thành nền tảng của một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Maryland, Ion Storage.

Việc sạc pin thông thường quá nhanh khiến lithium bị "lọc ra" trên cực dương dưới dạng các tấm kim loại lithium, khiến pin không thể hoạt động. Tiến sĩ Wachsman cho biết, trong pin thể rắn, lithium đã là một kim loại và điện tích được di chuyển theo một cách khác so với trong pin lỏng, tránh được vấn đề về lớp mạ.

Các kỹ sư và nhà sản xuất ô tô cũng có thể sẽ đưa người tiêu dùng đến gần hơn với giấc mơ sạc nhanh toàn cầu mà không cần đột phá trong thiết kế pin. Tại Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng họ có thể sạc các phương tiện chạy điện hiện tại vừa nhanh hơn mà vẫn giữ được sự an toàn bằng cách sử dụng phần mềm để tăng và giảm lượng dòng điện được đưa vào ắc quy của phương tiện.

Eric Dufek, một trong những nhà khoa học thực hiện nghiên cứu, cho biết kết quả của cuộc thí nghiệm tại tại phòng thí nghiệm cho thấy pin được sạc với tốc độ nhanh gấp 1,5 lần đến gấp đôi so với tốc độ hiện tại.

Một số công ty đã làm việc trên các phương tiện nhẹ hơn với bộ pin nhỏ hơn. Các ví dụ bao gồm xe điện ba bánh siêu nhẹ của công ty khởi nghiệp Aptera và nguyên mẫu xe EQXX của Mercedes.

Việc tiết kiệm nhiên liệu là điều rất quan trọng, ngay cả với xe điện. Tiến sĩ Cheeseman cho biết, những cải tiến trong những phương tiện này có thể kết hợp với bộ pin nhỏ hơn, một ngày nào đó sẽ giúp xe điện có giá cả phải chăng hơn, qua đó giúp nhiều người có thể sở hữu phương tiện này.