Bạn ngồi trong một chiếc xe điện nặng gần hai tấn, đạp ga là xe vọt đi êm ru, không tiếng máy, không mùi xăng. Thứ đẩy cả khối sắt thép ấy chạy vài trăm cây số lại nằm phẳng lì dưới sàn xe, và nếu tháo ra, bạn sẽ thấy nó được ghép từ hàng nghìn viên pin nhỏ cỡ ngón tay. Vậy bên trong một viên pin như thế có gì? Bài này sẽ "mổ" một cell pin xe điện từ vỏ vào lõi, giải thích vì sao sạc nhanh luôn chậm lại sau 80%, vì sao pin chai và vì sao thỉnh thoảng nó bốc cháy.
Khối pin dưới sàn xe được ghép từ đâu?
Hầu hết ô tô điện hiện nay đặt pin thành một tấm phẳng dưới sàn, giữa hai trục bánh xe. Kiểu bố trí này hay được gọi là khung gầm "ván trượt" (skateboard): pin vừa là nguồn điện, vừa hạ thấp trọng tâm giúp xe đầm và ít lật.
Khối pin đó chia làm ba cấp:
- Cell (tế bào pin): đơn vị nhỏ nhất, nơi thực sự xảy ra phản ứng hoá học tạo ra điện.
- Mô-đun: một nhóm cell được hàn nối với nhau, kèm cảm biến nhiệt và dây đo điện áp.
- Pack (khối pin): nhiều mô-đun đặt trong một vỏ kim loại kín, có hệ thống làm mát, mạch quản lý và cầu chì bảo vệ.
Số lượng cell phụ thuộc vào kích cỡ cell. Tesla Model 3 bản Long Range dùng cell hình trụ cỡ nhỏ nên cần khoảng 4.400 cell cho một khối pin. Những hãng dùng cell hình hộp lớn thì chỉ cần vài trăm cell, thậm chí ít hơn. Một số đời xe mới còn bỏ hẳn cấp mô-đun, xếp cell thẳng vào pack (cell-to-pack) để nhồi thêm được nhiều cell hơn trong cùng thể tích.
Ba kiểu vỏ, nhưng ruột gần như giống nhau
Nhìn từ bên ngoài, cell pin xe điện có ba dạng chính:
| Kiểu vỏ | Hình dáng | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|
| Hình trụ (cylindrical) | Như pin tiểu phóng to, vỏ thép | Sản xuất hàng loạt rất rẻ, vỏ cứng chịu áp suất tốt | Xếp cạnh nhau để hở khe, cần nhiều mối hàn |
| Hình hộp (prismatic) | Như cục gạch, vỏ nhôm cứng | Xếp khít, ít cell hơn, dễ lắp ráp | Khó tản nhiệt ở lõi cell |
| Túi (pouch) | Dẹt, bọc màng nhôm mềm | Nhẹ, tận dụng không gian tốt | Có thể phồng khi già, cần khung đỡ |
Cell hình trụ được đặt tên theo kích thước. 18650 nghĩa là đường kính 18 mm, cao 65 mm (số 0 cuối chỉ hình trụ). 2170 (hay 21700) rộng 21 mm, cao 70 mm, là loại dùng trong Model 3 và Model Y đời đầu. Thế hệ mới 4680 rộng 46 mm, cao 80 mm; theo công bố của Tesla khi giới thiệu, mỗi viên chứa năng lượng gấp khoảng năm lần một viên 2170.
Vì sao cell càng ngày càng to? Vì mỗi cell, dù lớn hay nhỏ, đều tốn vỏ, nắp, van an toàn và mối hàn như nhau. Cell to hơn thì phần "vỏ bọc" chiếm tỉ lệ nhỏ hơn, phần chứa năng lượng chiếm nhiều hơn, và số mối hàn trong cả khối pin giảm mạnh. Nhưng cell to quá thì lõi khó toả nhiệt, nên kích thước luôn là bài toán cân bằng.
Dù là trụ, hộp hay túi, bên trong mọi cell lithium-ion đều có cùng bốn thành phần: cực dương, cực âm, màng ngăn và chất điện phân. Khác nhau chỉ là cách chúng được cuộn hay xếp lớp.
Bóc vỏ ra: một "cuộn giấy" bốn lớp
Cắt bỏ lớp vỏ thép của một cell hình trụ, bạn sẽ thấy một khối trụ đặc được cuộn chặt như cuộn giấy vệ sinh. Dân trong ngành gọi nó là jelly roll (cuộn bánh). Trải cuộn đó ra, nó là một dải dài gồm bốn lớp mỏng chồng lên nhau theo thứ tự: cực dương, màng ngăn, cực âm, màng ngăn. Với cell cỡ 2170, dải này dài cỡ gần một mét.
Tại sao phải cuộn? Vì lượng điện một cell cấp được phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai cực. Cuộn một dải dài vào ống nhỏ giống như gấp một tấm thảm lớn vào vali: diện tích vẫn nguyên, chỉ thể tích là gọn lại. Cell hình hộp và túi thì dùng cách xếp chồng (stacking) hoặc cuộn dẹt, nhưng nguyên lý vẫn vậy.
Mỗi lớp mỏng đến mức khó tin:
- Lá nhôm của cực dương và lá đồng của cực âm chỉ dày khoảng mười micromet, mỏng hơn giấy in nhiều lần.
- Lớp bột hoạt tính phủ hai mặt lá kim loại dày vài chục micromet.
- Màng ngăn dày chừng mười lăm micromet, mỏng hơn sợi tóc vài lần.
Cực dương quyết định pin "khoẻ" đến đâu
Cực dương (cathode) là lá nhôm phủ một lớp bột oxit kim loại chứa lithium. Loại bột này quyết định phần lớn tính cách của pin: chứa được bao nhiêu năng lượng, bền bao lâu, giá bao nhiêu, có dễ cháy không. Hai loại phổ biến nhất trên xe điện hiện nay:
| Tiêu chí | NMC (niken – mangan – coban) | LFP (lithium sắt phốt phát) |
|---|---|---|
| Mật độ năng lượng | Cao hơn, xe đi xa hơn với cùng khối lượng pin | Thấp hơn, pin nặng hơn một chút cho cùng quãng đường |
| Nguyên liệu | Cần niken và coban, đắt và nguồn cung nhạy cảm | Sắt và phốt phát, rẻ và dồi dào |
| Độ bền | Thường vài nghìn chu kỳ trở xuống | Có thể tới ba nghìn chu kỳ sạc trở lên |
| An toàn nhiệt | Bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ thấp hơn | Cấu trúc bền, khó xảy ra thoát nhiệt hơn hẳn |
| Điện áp danh định | Khoảng 3,6–3,7 V/cell | Khoảng 3,2 V/cell |
Vì thế các bản xe tầm xa, hiệu năng cao thường dùng NMC, còn bản tiêu chuẩn và xe giá mềm ngày càng chuyển sang LFP. Các hãng cũng đang giảm dần tỉ lệ coban trong NMC (chuyển sang loại nhiều niken) để hạ giá thành.
Nhiều hãng khuyên xe dùng pin LFP nên sạc đầy 100% định kỳ để hệ thống ước tính phần trăm pin chính xác, còn xe dùng NMC thì để mức sạc hằng ngày khoảng 80–90%. Hãy xem hướng dẫn của chính hãng xe bạn đang dùng.
Cực âm, màng ngăn và chất điện phân
Cực âm (anode) là lá đồng phủ than chì (graphite). Than chì có cấu trúc gồm vô số lớp nguyên tử carbon chồng lên nhau như một xấp giấy. Khi sạc, ion lithium chui vào kẹp giữa các lớp đó và nằm chờ, cứ sáu nguyên tử carbon giữ được tối đa một ion lithium. Một số hãng trộn thêm một ít silicon vào than chì để tăng dung lượng.
Màng ngăn (separator) là tấm nhựa xốp (thường là polyetylen hoặc polypropylen) nằm giữa hai cực. Nó có hàng triệu lỗ siêu nhỏ: đủ rộng cho ion lithium đi qua, nhưng không cho electron đi qua và không cho hai cực chạm vào nhau. Hãy hình dung nó như cửa soát vé ở nhà ga: hành khách có vé (ion) được qua, còn người không có vé (electron) phải đi đường vòng.
Chất điện phân là dung môi hữu cơ có hoà tan muối lithium, thấm đẫm mọi khe hở trong cell. Nó là "đường cao tốc" cho ion di chuyển giữa hai cực. Điểm yếu: dung môi này rất dễ bắt lửa, và đó là gốc rễ của phần lớn rủi ro cháy pin.
Ion đi một đường, electron đi một đường
Đây là phần thú vị nhất: điện được tạo ra như thế nào?
Khi xe chạy (xả điện), ion lithium rời các lớp than chì ở cực âm, bơi qua chất điện phân, xuyên qua màng ngăn rồi về nằm trong cấu trúc oxit ở cực dương. Mỗi ion rời đi để lại một electron. Electron không được đi tắt qua màng ngăn, nên buộc phải đi vòng ra mạch ngoài: qua dây cáp, qua bộ biến tần, vào động cơ, rồi mới quay về cực dương. Chính dòng electron đi vòng đó làm quay động cơ.
Khi cắm sạc, mọi thứ chạy ngược lại. Bộ sạc dùng điện áp cao hơn để đẩy electron về cực âm, kéo ion lithium rời cực dương, băng qua màng ngăn và chui trở lại giữa các lớp than chì. Năng lượng được "cất" vào đó, chờ lần xả tiếp theo.
Pin lithium-ion không "chứa điện" như bình chứa nước. Nó chứa các ion lithium, và điện chỉ là dòng electron đi vòng bên ngoài để cân bằng mỗi lần ion chuyển nhà.
Vì ion chỉ chuyển qua chuyển lại mà không bị tiêu hao về lý thuyết, pin lithium-ion sạc được hàng nghìn lần. Trên thực tế, mỗi chu kỳ đều mất đi một chút, và đó là chuyện của phần tiếp theo.
Vì sao sạc nhanh chậm lại sau 80% và vì sao pin chai?
Gai lithium: lý do sạc nhanh phải chậm lại
Hãy hình dung than chì như một bãi đỗ xe, ion lithium là những chiếc xe đang tới. Khi bãi còn trống, xe vào rất nhanh. Khi bãi gần đầy, xe phải chạy vòng tìm chỗ, nếu cứ dồn thêm xe vào cổng thì xe sẽ đỗ tràn ra ngoài.
Với pin cũng vậy: sạc quá nhanh, nhất là khi pin đã gần đầy hoặc khi trời lạnh, ion đến dồn dập mà không kịp chui vào than chì. Chúng bám lên bề mặt cực âm thành lithium kim loại (hiện tượng lithium plating), lâu dần mọc thành những gai lithium (dendrite) nhọn. Gai này vừa làm mất lithium hoạt động, vừa có thể đâm thủng màng ngăn.
Vì vậy, khi cắm trụ sạc nhanh, bạn sẽ thấy công suất rất cao ở giai đoạn đầu rồi giảm dần, đặc biệt sau mốc khoảng 80%. Đó không phải trụ sạc "đuối", mà là hệ thống quản lý pin chủ động hạ dòng để bảo vệ cell.
Lớp SEI: cái giá của sự bảo vệ
Ngay lần sạc đầu tiên tại nhà máy, trên bề mặt cực âm mọc lên một lớp màng mỏng tên SEI (lớp tiếp giáp rắn – điện giải). Lớp này rất cần thiết: nó ngăn chất điện phân tiếp tục phản ứng với than chì. Nhưng mỗi lần sạc xả, nhất là khi pin nóng, SEI lại dày thêm một chút và giam vĩnh viễn một ít lithium bên trong. Lithium bị giam không còn tham gia sạc xả được nữa, dung lượng pin giảm dần. Pin "chai" chủ yếu từ đó.
- Thường xuyên sạc nhanh DC khi không thật cần thiết.
- Để xe ở mức 100% pin rất lâu, nhất là dưới trời nắng nóng.
- Thường xuyên dùng cạn pin xuống gần 0%.
Thoát nhiệt, BMS và lớp áo làm mát
Thoát nhiệt: kịch bản nguy hiểm nhất
Nguy hiểm nhất là khi màng ngăn bị thủng, do gai lithium, do lỗi sản xuất hay do va chạm mạnh. Hai cực chạm nhau gây đoản mạch bên trong, nhiệt sinh ra làm chất điện phân và vật liệu cực dương phân huỷ, sinh thêm nhiệt và khí. Nhiệt độ có thể tăng vọt lên hàng trăm độ C chỉ trong vài giây, rồi lan sang các cell bên cạnh. Hiện tượng dây chuyền này gọi là thoát nhiệt (thermal runaway).
Để giảm hậu quả, mỗi cell đều có van xả áp: khi khí bên trong tích tụ quá mức, van mở ra cho khí thoát theo hướng định sẵn thay vì để cell nổ tung. Giữa các cell còn có vật liệu cách nhiệt để làm chậm việc lây lan.
BMS: bộ não canh gác
Canh gác cả khối pin là BMS (Battery Management System, hệ thống quản lý pin). BMS liên tục đo điện áp, nhiệt độ của từng nhóm cell, tính phần trăm pin còn lại, cân bằng các cell lệch nhau và quyết định cho phép sạc xả với dòng bao nhiêu. Khi phát hiện bất thường, nó có thể giảm công suất hoặc ngắt hẳn khối pin.
Làm mát: giữ pin quanh 25 độ
Đi kèm BMS là hệ thống quản lý nhiệt. Trên nhiều xe, ống hoặc tấm dẫn dung dịch làm mát chạy len giữa các cell hay dưới đáy mô-đun, giữ pin quanh khoảng hai mươi lăm độ C, kể cả khi đang sạc nhanh hay chạy đường dài giữa trưa hè. Pin quá nóng sẽ chai nhanh, pin quá lạnh thì sạc chậm và dễ bị gai lithium, nên một số xe còn có cả bộ sưởi pin.
Từ 3,6 vôn đến 400 vôn, rồi đời thứ hai
Một cell NMC chỉ cho khoảng 3,6 vôn danh định. Để có điện áp đủ cao cho động cơ, các nhóm cell được nối tiếp. Nhiều xe dùng 96 nhóm nối tiếp (ký hiệu 96s): 96 × 3,6 V ≈ 346 V danh định, và khi sạc đầy (khoảng 4,2 V/cell) thì lên gần 400 V. Trong mỗi nhóm, nhiều cell lại được nối song song để tăng dung lượng và dòng điện.
Vì sao cần điện áp cao? Với cùng công suất, điện áp cao thì dòng điện nhỏ hơn, dây cáp mảnh hơn, ít hao nhiệt hơn. Đó cũng là lý do một số xe đời mới chuyển lên hệ thống 800 V để sạc nhanh hơn.
Pin không chết khi "chai"
Hầu hết hãng xe coi pin đã hết đời trên xe khi dung lượng còn khoảng 70–80%. Nhưng ở mức đó, pin vẫn còn rất hữu ích cho những việc không cần nhẹ và gọn như xe: làm pin lưu trữ cho điện mặt trời, trạm sạc hay toà nhà. Khi thật sự hết dùng được, pin được tháo rời, nghiền nhỏ và xử lý hoá học để thu hồi lithium, niken, coban, đồng và nhôm làm nguyên liệu cho pin mới.
Tóm tắt nhanh
- Khối pin xe điện gồm hàng trăm đến hàng nghìn cell, ghép thành mô-đun rồi thành pack; vỏ cell có ba kiểu nhưng ruột giống nhau.
- Mỗi cell là một dải bốn lớp cuộn chặt: cực dương (nhôm + oxit kim loại), màng ngăn, cực âm (đồng + than chì), màng ngăn, ngâm trong chất điện phân.
- Ion lithium đi qua màng ngăn, electron đi vòng ra mạch ngoài để quay động cơ; sạc là quá trình đảo ngược.
- Sạc nhanh chậm lại sau khoảng 80% để tránh gai lithium; lớp SEI dày dần là nguyên nhân chính khiến pin chai.
- BMS, hệ thống làm mát và van xả áp là ba lớp bảo vệ chống thoát nhiệt; pin hết đời trên xe vẫn có thể làm pin lưu trữ rồi được tái chế.
Câu hỏi thường gặp
Pin LFP hay NMC tốt hơn?
Không có loại nào tốt hơn tuyệt đối. NMC cho quãng đường dài hơn với cùng khối lượng pin, còn LFP rẻ hơn, bền hơn và an toàn nhiệt hơn. Nếu bạn chủ yếu đi trong phố và muốn pin bền, LFP là lựa chọn rất hợp lý.
Sạc nhanh có làm hỏng pin không?
Sạc nhanh thỉnh thoảng không gây hại đáng kể vì BMS đã tự giới hạn dòng sạc. Nhưng nếu ngày nào cũng sạc nhanh, nhất là khi pin nóng hoặc sạc lên gần 100%, pin sẽ lão hoá nhanh hơn so với sạc chậm ở nhà.
Vì sao pin xe điện cháy lại khó dập?
Thoát nhiệt tự sinh ra nhiệt và khí ngay bên trong cell, không cần oxy từ bên ngoài, nên phủ bọt hay bình chữa cháy thông thường khó dập tắt hoàn toàn. Lực lượng cứu hoả thường phải dùng rất nhiều nước để hạ nhiệt cả khối pin trong thời gian dài.
Pin chai còn 70% thì có cần thay ngay không?
Không bắt buộc. Xe vẫn chạy bình thường, chỉ là quãng đường mỗi lần sạc ngắn hơn. Việc thay pin tuỳ vào nhu cầu đi lại của bạn và chính sách bảo hành của hãng.
