Pin Lithium-Ion trên xe điện – Liệu bạn đã biết hết về nó?

(News.otohui-com) – Pin Lithium-Ion là gì? Nguyên lý hoạt động ra sao? Có những ưu nhược điểm như thế nào khi ứng dụng pin Lithium-ion trên xe điện? Nếu bạn đang có những thắc mắc tương tự thì bài viết này là dành cho bạn.

1. Giới thiệu về Pin Lithium-Ion:

Pin Lithium-Ion hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc, là thiết bị sinh ra điện 1 chiều thông qua phản ứng hóa học.

Khi pin phóng điện hay nạp điện, ion lithium di chuyển qua lại các bản cực (bản cực dương và bản cực âm). Thông thường, bản cực dương làm từ vật liệu oxide kim loại với kim loại nền là Cobal, Nickel hay Manganese. Bản cực âm làm từ graphite. Cả bản cực dương và âm có cấu trúc là những lớp mỏng. Ion lithium nằm trong các lớp đó.

• Trong quá trình nạp, ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm.
• Trong quá trình xả, ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương.

Chất điện phân là một phần quan trọng của pin Lithium, cung cấp môi trường dẫn ion Li⁺ giữa hai bản cực nhưng cũng đồng thời là dung môi không dẫn điện.

Hình trên lần lượt là pin Lithium-Ion dạng dẹt và dạng trụ tròn. Đây là hai cấu trúc thường được sử dụng trên ô tô.

2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

Trong quá trình nạp, ion Lithium được giải phóng khỏi điện cực dương. Lúc này, ion Lithium sử dụng chất điện phân làm môi trường truyền dẫn, thẩm thấu xuyên qua lớp ngăn cách và gắn vào bản cực âm.

Trong quá trình xả, ion Lithium được giải phóng ra khỏi bản cực âm. Ion Lithium sử dụng chất điện phân làm môi trường dẫn, thẩm thấu xuyên qua lớp ngăn cách và quay về lại bản cực dương.

Tại cực dương, phản ứng hóa học xảy ra như sau.

• LiCoO2 ↔ CoO2 + Li⁺ + e^– 

Tại cực âm, phản ứng hóa học xảy ra như sau.

• C6 + Li⁺ + e^– ↔ LiC6

Phản ứng tổng cộng của hai quá trình nạp và xả trong pin:

• C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2

Trong đó, nạp là chiều thuận, xả là chiều nghịch.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin xe điện như thế nào?

Trong quá trình xả, C61- (Cathode) bị oxy hoá thành C60, Co⁴⁺ bị khử thành Co³⁺, và ngược lại trong quá trình nạp. Nếu pin Lithium-Ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxide bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxide, theo một chiều của phản ứng sau:

• LiCoO2 + Li⁺ + e^– → Li2O + CoO

Nếu pin LCO được nạp quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxide, theo một chiều của phản ứng sau [10]:

• LiCoO2  → Li⁺ +e^– + CoO2

3. So sánh Pin Lithium-Ion và Ắc quy chì axit:

So sánh	Pin Lithium-Ion	Ắc quy chì axit
Độ bền	Khoảng 4 – 5 năm	Khoảng 4 – 5 năm
Mật độ năng lượng sạc – xả	20 Wh/kg, chịu được dòng xả lớn dạng xung (trong thời gian ngắn) và chịu tải cao.	32 Wh/kg, chỉ chịu được dòng xả nhỏ và khả năng chịu tải kém.
Thời gian sạc	– Nhanh, 3 – 4 tiếng, thậm chí vài phút. – Sử dụng hết pin (gọi là xả), không lo bị hỏng pin sau một thời gian sử dụng.	– Chậm, 6 – 8 tiếng. – Nếu bị xả quá 50% mà không được sạc đầy, thì ắn quy dễ bị hỏng sau 1 – 2 tháng sử dụng. – Nếu bị xả tới tận đáy sẽ xuất hiện PbSO4 gây hỏng bản cực và chết .
Khối lượng	Nhẹ, khoảng 3 – 4 kg	Khá nặng, 12 – 15 kg
Khả năng chống nước	Có	Không
Khả năng chống cháy nổ	Cao	Thấp
Ảnh hưởng môi trường	Ít, vì được cấu tạo bởi những cell rắn lithium, không có chì hoặc axit.	Nhiều, vì được cấu tạo bởi chì và axit.

4. Đặc tính xả và nạp của pin Lithium-ion

a. Đặc tính xả:

Đặc tính xả của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau [3].

Trong ví dụ này, dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh. Cường độ dòng điện phóng được định nghĩa là Id = C.

Để đảm bảo an toàn cho pin, trong ví dụ này, điện áp pin được giới hạn trong khoảng Vb = 4.2 ÷ 2.5 (V). Đặc tính trên thể hiện dòng điện phóng càng lớn thì điện áp đo được ở pin ứng với một dung lượng càng nhỏ.

b. Đặc tính nạp:

Đặc tính nạp của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau [3]. Trong ví dụ này, dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh.

Pin Lithium-ion được nạp qua hai giai đoạn, giai đoạn đẳng dòng (CC) và giai đoạn đẳng áp (CV). Ở ví dụ này, trong giai đoạn CC, dòng điện được giữ không đổi IC = 0.3C. Khi điện áp của pin đạt được 4.2V, pin được chuyển sang giai đoạn nạp đẳng áp. Quá trình nạp kết thúc khi dòng điện nạp nhỏ hơn giá trị định trước, IC = 65mA.

Tại sao nước không ảnh hưởng đến pin xe điện hoặc động cơ điện?

5. Thiết kế và bố trí pin Lithium-ion trên xe điện:

a. Pin Lithium-ion trên xe điện Chevrolet Bolt:

Bố trí hệ thống pin trên xe điện Chevrolet Bolt mô tả như hình sau. Bộ pin được bố trí thấp ở phần khung xe. Trong bộ pin này có 288 pin Lithium-ion đơn (cell) dạng miếng dẹt, loại Nickel Lithium-ion. Mỗi cell có điện áp danh định là 3.65V.

Bộ pin có tổng năng lượng 54.7 kWh. Bộ pin có nhiều module ghép lại, mỗi module có nhiều nhóm, mỗi module có hình dạng như sau

Bộ pin trên xe chia làm 96 nhóm, mỗi nhóm có 3 cell mắc song song. Như vậy điện áp tổng của khối pin là 350.4V. Hình dạng 1 cell pin được mô tả như hình sau.

b. Pin Lithium-ion trên xe điện Tesla Model S:

Để đạt được điện áp dẫn động các động cơ điện trên xe điện, các pin Lithium được mắc nối tiếp với nhau. Để tăng cường độ dòng điện xả của bộ pin, các pin Lithium đơn được bố trí song song. Như vậy, bộ pin trên ô tô điện là cấu trúc gồm nhiều pin Lithium mắc song song và nối tiếp. Thông thường bộ pin được bố trí dưới gầm xe để giảm trọng tâm xe.

Trên xe Tesla Model S năm 2012, bộ pin bao gồm 7,104 pin Linthium-ion đơn, loại 18650 Lithium Nickel Manganese Oxide. Tổng năng lượng của bộ pin là 85 kWh

Bộ pin này có 16 module riêng rẽ mắc nối tiếp với nhau, mỗi module có 444 pin Lithium đơn (cell). Trong mỗi module, 74 cell mắc song song thành từng cụm, với điện áp danh định là 3.6V. Mỗi module có 6 cụm mắc nối tiếp với nhau tạo ra điện áp 21.6V. Như vậy điện áp tổng cộng bộ pin với 16 module mắc nối tiếp là 345.6V.

6. Hệ thống quản lý pin trên xe điện (BMS – Battery Management System):

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quản lý pin BMS được mô tả như hình sau.

Xem chi tiết hơn về:
Hệ thống quản lý pin Lithium (BMS)?

Các chức năng chính của hệ thống quản lý pin lithium BMS là:

• Duy trì tính an toàn và ổn định của bộ pin: BMS có thể bảo vệ ngắn mạch chống cháy nổ, đảm bảo độ bền của bộ pin hoạt động lâu dài.
• Giám sát và đánh giá tình trạng của bộ pin: đánh giá dung lượng của bộ pin, quãng đường tối đa xe có thể chạy.
• Điều khiển tình trạng nạp (SoC – State of Charge): cho phép nạp khi pin hết, ngắt nạp khi đã đầy.
• Cân bằng cell (cell-balancing): Cân bằng các cell pin mắc nối tiếp. Dung lượng từng cell không đồng đều do sai số chế tạo hay do thoái hóa không đồng đều qua quá trình sử dụng.
• Điều khiển theo nhiệt độ: Duy trì nhiệt độ hoạt động của bộ pin, đảm bảo không quá nhiệt ảnh hưởng đến độ bền, điều khiển nước tản nhiệt.
• Quản lý năng lượng phanh tái sinh: Nạp cho bộ pin khi xe phanh tái sinh.

---

Bài viết liên quan:

• Pin Lithium Ternary và Pin LFP trên ô tô điện khác nhau như thế nào?
• Hệ thống phanh tái sinh RBS có bao nhiêu kiểu tích trữ năng lượng?
• Vì sao ban đầu Tesla sử dụng nhiều pin Lion cỡ nhỏ nhưng không dùng cỡ lớn?