Các kỹ sư tại Đại học Michigan (University of Michigan) đã phát triển một quy trình sản xuất cải tiến dành cho pin xe điện (EV), giúp tăng đáng kể tốc độ sạc trong điều kiện thời tiết lạnh giá. Công nghệ mới này giải quyết một trong những rào cản lớn nhất đối với việc phổ biến xe điện: hiệu suất giảm sút khi nhiệt độ xuống thấp.

Theo giáo sư Neil Dasgupta, chuyên ngành kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Đại học Michigan, phương pháp này có thể được các nhà sản xuất pin EV áp dụng mà không cần thay đổi lớn trong dây chuyền sản xuất hiện tại. Nghiên cứu của nhóm hướng tới mục tiêu đạt tốc độ sạc siêu nhanh ngay cả trong điều kiện lạnh mà không làm giảm mật độ năng lượng của pin.

Bước đột phá trong công nghệ pin

Nhờ phương pháp mới, pin lithium-ion có thể sạc nhanh hơn tới 500% ngay cả khi nhiệt độ xuống tới -10°C.

Thành công này đến từ những cải tiến về cấu trúc và lớp phủ bề mặt, giúp ngăn chặn hiện tượng mạ lithium trên điện cực - một vấn đề phổ biến khiến pin bị suy giảm hiệu suất. Nhờ đó, sau 100 chu kỳ sạc nhanh trong điều kiện nhiệt độ dưới 0°C, loại pin này vẫn giữ được 97% dung lượng ban đầu.

Thông thường, pin EV lưu trữ và giải phóng năng lượng bằng cách di chuyển các ion lithium giữa các điện cực thông qua dung dịch điện phân. Tuy nhiên, khi trời lạnh, tốc độ di chuyển của các ion giảm đi đáng kể, khiến hiệu suất pin và tốc độ sạc chậm lại. Để cải thiện phạm vi hoạt động, các hãng xe thường tăng độ dày của điện cực, nhưng điều này lại làm tốc độ sạc giảm hơn nữa.

Trước đây, nhóm nghiên cứu của Dasgupta từng thử nghiệm phương pháp tạo các kênh dẫn ion lithium có đường kính 40 micron trên cực dương bằng kỹ thuật khoan laser. Cách làm này giúp cải thiện đáng kể tốc độ sạc trong điều kiện nhiệt độ phòng, nhưng vẫn chưa khắc phục được vấn đề sạc chậm trong thời tiết lạnh.

Sau nhiều thử nghiệm, nhóm phát hiện ra rằng lớp màng hóa học hình thành trên bề mặt điện cực ở nhiệt độ thấp là nguyên nhân chính cản trở quá trình sạc. Theo Manoj Jangid, nghiên cứu sinh cao cấp tại Đại học Michigan và đồng tác giả nghiên cứu, lớp mạ lithium này khiến điện cực không thể sạc đầy, làm giảm dung lượng tổng thể của pin.

Để giải quyết vấn đề, nhóm đã phát triển một lớp phủ thủy tinh siêu mỏng dày 20 nanomet bằng hợp chất lithium borate-carbonate. Lớp phủ này ngăn không cho lớp màng có hại hình thành trên điện cực, đồng thời kết hợp với các kênh dẫn ion được khoan laser để đạt tốc độ sạc nhanh gấp 5 lần trong điều kiện lạnh.

“Sự kết hợp giữa cấu trúc ba chiều và lớp phủ nhân tạo giúp công nghệ này giải quyết cùng lúc ba thách thức của pin EV: sạc nhanh, hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp và duy trì quãng đường di chuyển dài”, Tae Cho, tiến sĩ ngành kỹ thuật cơ khí và tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Giải pháp cho mối lo ngại của người tiêu dùng

Dù xe điện ngày càng phổ biến, nhiều khách hàng vẫn e ngại trước những hạn chế của công nghệ hiện tại. Theo một khảo sát của Hiệp hội Ô tô Mỹ (AAA), tỷ lệ người trưởng thành tại Mỹ có ý định mua xe điện đã giảm từ 23% năm 2023 xuống còn 18% trong năm 2024.

Một trong những mối lo lớn nhất của người dùng là phạm vi hoạt động của xe giảm mạnh vào mùa đông, trong khi thời gian sạc lại kéo dài hơn. Trong đợt rét kỷ lục vào tháng 1/2024, nhiều mẫu xe ghi nhận thời gian sạc kéo dài hơn một giờ do nhiệt độ xuống quá thấp.

“Ngay cả khi sử dụng công nghệ sạc nhanh nhất hiện nay, một chiếc xe điện vẫn cần từ 30 đến 40 phút để sạc đầy, và con số này có thể vượt quá một giờ vào mùa đông. Đây chính là vấn đề mà chúng tôi muốn giải quyết”, giáo sư Dasgupta chia sẻ trong thông cáo báo chí.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Pin và Trung tâm Đặc tính Vật liệu của Đại học Michigan. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế với sự hỗ trợ của U-M Innovation Partnerships, trong khi công nghệ tạo kênh dẫn ion đã được công ty Arbor Battery Innovations mua bản quyền để thương mại hóa.

An Nhiên (Theo Interesting Engineering)