Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Precourt thuộc Đại học Stanford và Phòng Thí nghiệm Tăng tốc Quốc gia SLAC cho thấy rằng trong thế giới thực, thời gian sử dụng pin của xe điện dài hơn một phần ba so với dự kiến của các nhà nghiên cứu. Khi lái xe trong các tình huống sử dụng hàng ngày như giao thông tắc nghẽn, đi du lịch đường dài, di chuyển ngắn trong thành phố và phần lớn thời gian xe ở chế độ đỗ, điều này cho thấy rằng người sở hữu xe điện có thể không cần phải thay thế pin đắt tiền trong vài năm tới cũng như không cần mua xe mới.
Các nhà nghiên cứu pin tại Đại học Stanford (Nguồn: Đại học Stanford)
Thông thường, các nhà khoa học và kỹ sư pin sẽ thử nghiệm tuổi thọ chu kỳ của thiết kế pin mới trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng tốc độ xả và sạc cố định. Các nhà nghiên cứu thực hiện các thử nghiệm chu kỳ nhanh chóng và nhiều lần để sớm đánh giá hiệu suất thiết kế mới, xem xét thời gian sử dụng lâu dài và các đặc tính khác.
Tuy nhiên, phương pháp này không phải là cách tốt để dự đoán tuổi thọ pin của xe điện, đặc biệt là đối với những người sử dụng xe điện cho việc đi lại hàng ngày. Mặc dù giá pin đã giảm khoảng 90% trong 15 năm qua, nhưng nó vẫn chiếm một phần ba chi phí của một chiếc xe mới.
Giáo sư trợ lý Simona Onori tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng thuộc Trường Đại học Địa cầu Doerr của Stanford cho biết: “Chúng tôi đã không kiểm tra pin xe điện đúng cách. Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là sự tăng tốc và phanh thường xuyên trong quá trình lái xe thực tế, cùng với việc sử dụng những động tác này để sạc pin và thỉnh thoảng dừng lại đều giúp kéo dài tuổi thọ pin, vượt qua cả những dự đoán có được từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ngành.”
Kết quả thú vị
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế bốn chế độ xả pin xe điện, bao gồm xả cố định tiêu chuẩn và xả động dựa trên dữ liệu lái thực tế. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm kéo dài hơn hai năm với 92 viên pin lithium-ion thương mại trong các chế độ xả khác nhau. Cuối cùng, họ đã kết luận rằng chế độ xả càng gần với hành vi lái thực tế thì tuổi thọ của xe điện càng cao.
Nghiên cứu đã phát hiện nhiều yếu tố khiến tuổi thọ pin vượt quá mong đợi. Nhóm nghiên cứu đã đào tạo một thuật toán học máy dựa trên toàn bộ dữ liệu thu thập được nhằm giúp làm rõ ảnh hưởng của chế độ xả động đến quá trình lão hóa của pin. Ví dụ, nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ giữa việc tăng tốc nhanh và ngắn của xe điện với tốc độ suy giảm hiệu suất của pin, điều này trái ngược với giả thuyết lâu nay rằng việc tăng tốc ở mức đỉnh sẽ có hại cho pin xe điện. Tiến sĩ Alexis Geslin, sinh viên tiến sĩ tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật, cho biết việc đạp mạnh lên bàn đạp sẽ không làm tăng tốc độ lão hóa của pin mà thực sự còn giúp làm chậm quá trình lão hóa của pin.
Hai cách lão hóa của pin
Nhóm nghiên cứu cũng tìm hiểu sự khác biệt giữa sự lão hóa của pin trong quá trình xả và sạc nhiều lần so với sự lão hóa tự nhiên theo thời gian. Nếu pin ở trong ngăn kéo trong nhiều năm, ngay cả khi nó vẫn có thể sử dụng, hiệu suất của nó sẽ giảm đáng kể.
Tiến sĩ Geslin cho biết: “Chúng tôi, những kỹ sư pin, cảm thấy rằng lão hóa do chu trình xả và sạc quan trọng hơn là lão hóa theo thời gian. Quan điểm này chủ yếu áp dụng cho các xe điện thương mại như xe buýt và xe giao hàng, vì pin của chúng đang sử dụng liên tục hoặc đang ở trạng thái sạc. Đối với người tiêu dùng lái xe điện đến nơi làm việc, đưa đón trẻ em, đi chợ, nhưng phần lớn thời gian xe không được sử dụng hoặc không được sạc, yếu tố thời gian trở thành nhân tố chính ảnh hưởng đến lão hóa của pin.”
Nghiên cứu này đã xác nhận “khoảng lý tưởng” của tốc độ xả trung bình để cân bằng giữa lão hóa của pin theo thời gian và lão hóa do chu trình xả và sạc, ít nhất là cho các viên pin thương mại đã thử nghiệm. May mắn thay, khoảng này nằm trong phạm vi mà người tiêu dùng đang điều khiển xe điện hàng ngày. Các nhà sản xuất ô tô có thể tận dụng phát hiện mới này để cập nhật phần mềm hệ thống quản lý pin của xe điện, nhằm tối đa hóa tuổi thọ pin trong điều kiện thực tế.
Nhìn về tương lai
Tiến sĩ Le Xu, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng, cho biết: “Nhìn về phía trước, việc đánh giá các đặc tính hóa học và thiết kế của pin mới dựa trên mô hình nhu cầu thực tế sẽ trở nên rất quan trọng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu có thể xem xét lại cơ chế lão hóa của pin ở cấp độ hóa học, vật liệu và tế bào, nhằm đi sâu vào sự hiểu biết và giúp phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến, tối ưu hóa việc sử dụng cấu trúc pin thương mại hiện có.”
Nghiên cứu này chỉ ra rằng ảnh hưởng của nó không chỉ hạn chế ở pin. Các nhà khoa học và kỹ sư cũng có thể áp dụng các nguyên tắc như vậy cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng khác và cho các vật liệu và thiết bị khác trong khoa học vật lý, chẳng hạn như nhựa, kính, tế bào năng lượng mặt trời và một số vật liệu sinh học để cấy ghép.