Nghiên cứu mới: Một vài cell pin lão hóa có thể khiến cả khối pin xe điện bị loại bỏ sớm, lãng phí gần 30% năng lượng

Theo tin từ IT ngày 10 tháng 9, chỉ cần một vài cell pin bị lão hóa cũng có thể khiến toàn bộ bộ pin (battery pack) của xe điện phải "nghỉ hưu" sớm. Giáo sư Trần Trung Vĩ (Chen Zhongwei) từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cùng Giáo sư Trâu Trường Phúc (Zou Changfu) từ Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) đã dẫn dắt nhóm nghiên cứu phân tích dữ liệu vận hành xe trong hơn 3 năm và đưa ra phát hiện này.

Theo báo cáo từ trang Interesting Engineering vào tối nay (ngày 10), nghiên cứu bao gồm các loại xe du lịch sử dụng pin Lithium Ternary (NCM/NCA) và xe buýt sử dụng pin Lithium Iron Phosphate (LFP), trong đó một số xe đã đạt quãng đường tích lũy lên tới 300.000 km. Nhóm nghiên cứu đã thiết lập một khung phân tích quy mô đội xe để định lượng ảnh hưởng của sự khác biệt giữa các cell pin đối với hiệu suất, tuổi thọ và hiệu suất sử dụng năng lượng của cả bộ pin.

Các cell pin bên trong một bộ pin cần phải phối hợp hoạt động như một thể thống nhất. Tuy nhiên, do sự khác biệt về vật liệu, quy trình sản xuất, phương pháp phối ghép, nhiệt độ và điều kiện sử dụng, tốc độ suy giảm của các cell pin có thể không đồng đều.

Hiệu ứng "cell pin yếu nhất" phát sinh từ đó sẽ hạn chế hiệu suất của toàn bộ bộ pin: khi sạc, cell pin có dung lượng nhỏ hơn có thể đạt đến giới hạn điện áp trước; khi xả hoặc vận hành ở công suất cao, cell pin có điện trở trong lớn hơn có thể chạm ngưỡng an toàn trước.

Một khi cell pin lão hóa nhanh nhất đạt đến tiêu chuẩn loại bỏ, toàn bộ bộ pin có thể phải ngừng sử dụng, ngay cả khi các cell pin khác vẫn còn dung lượng khả dụng. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dựa vào thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong khi nghiên cứu lần này tập trung vào những ảnh hưởng dài hạn do sự không đồng nhất của các cell pin gây ra trong quá trình vận hành thực tế của xe.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu về điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc (SOC) của xe, kết hợp với việc nhận dạng mô hình pin và mạng thần kinh (neural network) để ước tính sự thay đổi về dung lượng và điện trở trong của các cell pin trong điều kiện tiêu chuẩn. Điều này giúp giảm thiểu sự can thiệp từ các yếu tố như mùa, trạng thái sạc và điều kiện vận hành, từ đó giúp quá trình lão hóa của các cell pin khác nhau có thể so sánh được với nhau.

Khi quãng đường di chuyển của xe du lịch còn thấp, sự khác biệt về trạng thái sức khỏe (SOH) giữa các cell pin không đáng kể. Tuy nhiên, sau khi vượt quá 170.000 km, một số cell pin bắt đầu lão hóa nhanh hơn, khiến khoảng cách giữa các cell pin bị nới rộng rõ rệt. Dù vậy, mức độ suy giảm nhanh này còn tùy thuộc vào từng loại xe.

Theo tiêu chuẩn loại bỏ thống nhất, sự không đồng nhất của các cell pin làm giảm 6,2% dung lượng khả dụng của bộ pin trên xe du lịch và 7,5% trên xe buýt. So với tuổi thọ trung bình của các cell pin bên trong, tuổi thọ của bộ pin xe du lịch bị rút ngắn 17,7%, còn xe buýt bị rút ngắn 22,8%.

Sự không đồng nhất về điện trở trong của các cell pin cũng hạn chế công suất đầu ra, khiến khả năng cung cấp năng lượng của bộ pin trên xe du lịch và xe buýt giảm lần lượt là 12,9% và 15,1%. Ngược lại, với các chiến lược cân bằng (balancing strategies) mà nghiên cứu đề cập, tổn thất dung lượng sạc khả dụng do mất cân bằng trạng thái sạc (SOC) thường dưới 2%.

Xét trên toàn bộ vòng đời sử dụng, hiệu suất sử dụng năng lượng của bộ pin xe du lịch chỉ đạt 80,7%, và xe buýt là 72,9%. Điều này có nghĩa là khi cell pin yếu nhất khiến toàn bộ bộ pin phải loại bỏ, hai loại bộ pin này vẫn còn khoảng 19,3% và 27,1% năng lượng tiềm năng chưa được khai thác.

Giáo sư Trần Trung Vĩ giải thích: "Hiệu suất và tuổi thọ của bộ pin xe điện không chỉ phụ thuộc vào mức độ lão hóa trung bình của các cell pin. Một vài cell pin lão hóa nhanh hơn cũng có thể tạo ra sự hạn chế lớn đối với toàn bộ bộ pin. Chúng tôi đã định lượng hiệu ứng cell pin yếu nhất trong quá trình vận hành thực tế, từ đó cung cấp cơ sở để nâng cao hiệu suất sử dụng pin, cải thiện quản lý tuổi thọ và tối ưu hóa toàn bộ hệ thống pin."

Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng, việc nâng cao tính đồng nhất trong sản xuất, cải thiện khâu phối ghép cell pin, kiểm soát cân bằng và quản lý nhiệt, đồng thời áp dụng hệ thống pin có thể tái cấu trúc (reconfigurable battery system) được kỳ vọng sẽ giảm thiểu hiệu ứng này.

Theo tìm hiểu của IT, các kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí *Nature Energy*.

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết chuyển hướng bên ngoài trong bài viết (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) được sử dụng để truyền tải thêm thông tin và tiết kiệm thời gian chọn lọc, kết quả chỉ mang tính chất tham khảo. Các bài viết của IT có chứa liên kết ngoài đều bao gồm tuyên bố này.