NHỮNG CÔNG NGHỆ PIN mới (NEW BATTERY TECHNOLOGIES)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM Môn học: Hệ thống điện- Điện tử tơ Nhóm 13 Thành viên:  Lê Ngọc Hải  Trần Hồng Đức Giáo viên hướng dẫn:  PGS.TS Đỗ Văn Dũng  Nguyễn Lê Khương Duy CHỦ ĐỀ: NHỮNG CÔNG NGHỆ PIN MỚI (NEW BATTERY TECHNOLOGIES) Chương hương ỚICÔNG THIỆU TỔNG NGHỆ ỚI TRÊN XE AN VỀ XE ĐIỆN ĐIỆN CHỦ ĐỀ NHỮNG CÔNG NGHỆ PIN MỚI (NEW BATTERY TECHNOLOGIES) Phát triển giao thông xanh với nguồn lượng tái tạo, lượng điện, lượng nói khơng với nhiên liệu hóa thạch giúp xe điện trở thành tương lai nhân loại Hiện nay, hãng sản xuất xe đặt nhiều tâm huyết vào việc nghiên cứu để tối ưu công nghệ xe điện, đặc biệt cải tiến pin Tổng quan xe điện Động điện biến tần Pin sạc Bộ điều khiển Xe ô tô điện loại phương tiện cung cấp lượng động điện, sử dụng lượng cung cấp từ pin sạc Hiện nay, ô tô điện sử dụng ngày rộng rãi phổ biến Ơ tơ chạy hoàn toàn lượng điện gọi xe điện túy (EV) Ngồi ra, loại xe tơ vừa chạy điện, vừa chạy nhiên liệu khác gọi xe điện lai - xe hybrid (HEV) Tổng quan xe điện Cấu tạo xe điện Động điện cung cấp lượng cho xe Biến tần chuyển đổi nguồn điện chiều thành xoay chiều Biến tần lắp đặt để thay đổi tốc độ quay động cách điều chỉnh tần số dòng điện xoay chiều Động điện loại chiều xoay chiều Thông thường động xoay chiều phổ biến Ngồi ra, thơng qua việc điều chỉnh biên độ tín hiệu biến tần để tùy chỉnh mơ-men xoắn công suất động Pin phận dùng để lưu trữ lượng cho xe chạy Loại pin sử dụng để lắp đặt ô tô điện thường pin lithium Bộ sạc pin với chức kiểm soát mức điện áp pin Việc thực thông qua điều chỉnh tốc độ sạc tơ Bộ sạc pin cịn có khả theo dõi nhiệt độ pin giúp trì tuổi thọ pin Bộ điều khiển ví não xe tơ điện Chức phận quản lý, kiểm soát tất thông số kỹ thuật, tốc độ xe Cáp sạc đặt bên xe ô tô điện, sử dụng để sạc pin cho tô tô điểm sạc công cộng nhà Ở nơi có điểm sạc nhanh, có loại cáp sạc riêng biệt để bạn sử dụng 10 Pin Li-ion Pin thể rắn (solidstate battery) Pin carbon silicon Pin TankTwo String Cell Một số công nghệ cải tiến Pin Li-ion Pin điện phân gel nano vàng Các nhà nghiên cứu Đại học California, Irvine thử nghiệm với gel để tạo chất điện phân tốt cho pin lithium ion, không dễ bắt lửa chất lỏng Phủ dây nano vàng mangan dioxide, sau phủ chúng gel điện phân Khi nhà nghiên cứu sạc điện cực thu được, họ phát trải qua 200.000 chu kỳ mà khơng khả giữ điện tích So với 6.000 chu kỳ pin thơng thường 16 Hình ảnh nghiên cứu pin điện phân gel nano vàng Một số cơng nghệ cải tiến Pin Li-ion Pin khơng khí Lithium Air Pin Lithium Air lấy Oxy từ khơng khí, lưu trữ vào khơng gian có kích cỡ tương đương 0.00000000001m với cấu trúc nano carbon tên Catot Khi xả pin, Oxy phản ứng với ion lithi tạo thành hợp chất vô lithium peroxide (Li₂O₂) sinh điện Còn cắm điện sạc, Oxy thải lại vào khơng khí, ion lithi quay trở lại điện cực âm Cơ chế giúp tiết kiệm nhiên liệu thân thiện với môi trường Pin không khí có trọng lượng 1/5 pin Li-ion, có khả cung cấp 10.000 mAh gam vật liệu Catot Tuổi thọ pin Li-air dài pin Li-ion gấp lần Hình ảnh cấu tạo chất điện ly pin Lithium Air 17 Một số công nghệ cải tiến Pin Li-ion Pin Lithium - lưu huỳnh Pin Lithium - lưu huỳnh có nguyên lý hoạt động giống với pin Lithium - ion tiêu chuẩn Tuy nhiên, nhà khoa học sử dụng cực âm sulphur (lưu huỳnh) cho pin Lithium - lưu huỳnh mang lại khả sạc cao gấp 10 lần ít tiêu hao lượng loại pin thông thường Lưu huỳnh tài nguyên dồi Việc đưa lưu huỳnh vào sản xuất pin tương lai giúp tối ưu chi phí, đảm bảo an tồn thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nhược điểm pin Lithium - lưu huỳnh phần điện cực lithium xuống cấp nhanh sau thời gian sử dụng, dễ gây cháy nổ giảm tuổi thọ pin 18 Hình ảnh cấu tạo Pin Lithium- lưu huỳnh Tổng quan pin thể rắn Pin thể rắn loại pin có thành phần “điện cực” “chất điện phân” trạng thái rắn Pin thể rắn ứng dụng nhiều lĩnh vực khác ô tô, xe máy, máy bay, tàu thuyền, phương tiện thuộc lĩnh vực quân Pin thể rắn có mật độ lượng cao so với pin Li-ion sử dụng dung dịch điện phân lỏng khơng có nguy cháy nổ pin Li-ion, khơng cần phải có thành phần để đảm bảo an tồn tiết kiệm nhiều khơng gian từ làm tăng dung lượng pin pin Pin thể rắn in 3D 19 Pin thể rắn (solid- state battery) Lịch sử phát triển Vào khoảng năm 1831 1834, Michael Faraday phát chất điện phân rắn bạc sunfua chì (II) florua, đặt móng cho ion trạng thái rắn Giữa kỷ 20, năm 1950, số hệ thống điện hóa sử dụng chất điện phân rắnl ion bạc, có số phẩm chất khơng mong muốn, bao gồm mật độ lượng thấp điện áp tế bào, điện trở bên cao Một loại chất điện phân trạng thái rắn mới, phát triển Phịng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, xuất vào năm 1990, sau sử dụng để sản xuất pin lithium-ion màng mỏng 20 Pin thể rắn (solid- state battery) Nguyên tắc hoạt động Tương tự với pin li-ion, pin có hai điện cực Anot (-) Cathot (+) làm vật liệu dẫn điện Giữa hai điện cực bên chúng chất điện phân chứa hạt ion mang điện cho phép ion di chuyển qua để kết hợp với cực dương cực âm tùy thuộc vào q trình sạc phóng điện Phản ứng hóa học tạo dòng điện để cung cấp lượng cho thiết bị Hình ảnh mơ tả hoạt động pin thể rắn 21 Pin thể rắn (solid- state battery) Cấu tạo pin thể rắn Pin thể rắn loại pin có thành phần “điện cực” “chất điện phân” trạng thái rắn Có nhiều loại pin thể rắn khác tùy vào vật liệu sử dụng để làm cực dương, cực âm chất điện phân rắn hữu hay vô cơ… Các thành phần Oxit, Phốt-phát, sulfur, polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane… chất nghiên cứu lựa chọn để sử dụng tương lai Hình ảnh pin thể rắn 22 Pin thể rắn (solid- state battery) Ưu điểm pin thể rắn Một ưu điểm pin thể rắn có thời gian sạc nhanh Trong thử nghiệm, kết pin thể rắn sạc nhanh so với công nghệ pin cách an toàn Bằng việc tận dụng phủ lớp boron nitride mỏng mức nano lên thiết bị, nhà nghiên cứu tăng dung lượng pin thể rắn lên 10 lần so với pin Li-ion Với đặc điểm tốt pin thể rắn cho phép xe điện thu gọn tối đa diện tích giảm trọng lượng xe xuống tới mức thấp Chính thế, đời pin thể rắn khắc phục điểm yếu quan trọng ô tô điện 23 Pin thể rắn (solid- state battery) Ưu điểm pin thể rắn Khả bắt lửa pin EV chủ yếu chất điện phân lỏng Chất điện phân lỏng thường dễ cháy, dễ bay không ổn định tiếp xúc với nhiệt độ cao, dẫn đến đoản mạch bên Thử nghiệm cho thấy, khả bắt lửa pin thể rắn tương đối thấp, độ ổn định điện hóa cao mật độ lượng lại cao so với pin pin lithium điện phân lỏng Nhờ vậy, pin thể rắn có khả kéo dài tuổi thọ chu kỳ sạc - xả - sạc lên tới 10 năm so với lithium tuổi thọ khoảng 4-5 năm cho xe máy điện 7-8 năm cho tơ điện Pin thể rắn có nguy rị rỉ dịng điện (tự phóng điện) khơng tạo khí hydro 24 Pin thể rắn (solid- state battery) Ứng dụng pin thể rắn tương lai Một ứng dụng cho pin thể rắn thành công ngành công nghiệp xe điện (EV) Pin thể rắn có khả giảm trọng lượng, tăng độ tin cậy, phạm vi hoạt động, an toàn giảm tốc độ sạc lại so với pin lỏng Năng lượng mà pin chứa sau lần sạc khiêm tốn so với bình xăng thông thường thời gian sạc lâu so với thời gian đổ đầy bình xăng Giá thành pin gần chiếm đến 1/3 giá thành EV nhiều công ty ôtô chọn giải pháp thay rẻ hơn, bền vững - pin thể rắn Một ví dụ đáng ý pin làm từ muối Những pin thí nghiệm sử dụng muối làm chất điện phân chất phân tách pin Giải pháp thú vị có khả an tồn, “xanh”, giá phải tái chế hồn tồn Theo Future Bridge (cơng ty phân tích Hà Lan), pin thể rắn có mức giá bán tương đương với pin Litthium-ion vào năm 2025, mở tương lai sáng cho cơng nghệ Đó cột mốc dành cho ngành công nghiệp xe điện 25 So với than chì, việc sử dụng vật liệu silicon cho điện cực dương giúp tăng dung lượng lưu trữ gấp 10 lần Tuy nhiên, silicon có nhược điểm dễ giãn nở, co lại vỡ thành nhiều mảnh nhỏ phóng điện gây hỏng pin Để tăng độ bền, nhà khoa học cải tiến vật liệu silicon thành hạt nano silicon, đồng thời sử dụng cấu trúc nano silicon kẹp nano carbon Cải tiến không làm tăng khả lưu trữ điện lên gấp 10 lần mà cịn trì liên kết hạt nano silicon sau 500 chu kỳ hoạt động, từ tăng độ bền pin Vật liệu nano carbon tạo chế đệm giúp pin carbon tăng tốc độ sạc lên lần so với pin thông thường Công nghệ pin tương lai tạo thay đổi đáng kể cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đặc biệt xe điện thông minh Một số nhà khoa học có ý tưởng sử dụng carbon silicon hệ thống lượng du hành vũ trụ tàu thám hiểm Hỏa nhằm giảm thiểu chi phí cho sứ mệnh vào khơng gian nhân loại 26 Pin carbon silicon So với than chì, việc sử dụng vật liệu silicon cho điện cực dương giúp tăng dung lượng lưu trữ gấp 10 lần Tuy nhiên, silicon có nhược điểm dễ giãn nở, co lại vỡ thành nhiều mảnh nhỏ phóng điện gây hỏng pin Để tăng độ bền, nhà khoa học cải tiến vật liệu silicon thành hạt nano silicon, đồng thời sử dụng cấu trúc nano silicon kẹp nano carbon Cải tiến không làm tăng khả lưu trữ điện lên gấp 10 lần mà cịn trì liên kết hạt nano silicon sau 500 chu kỳ hoạt động, từ tăng độ bền pin Vật liệu nano carbon tạo chế đệm giúp pin carbon tăng tốc độ sạc lên lần so với pin thông thường Công nghệ pin tương lai tạo thay đổi đáng kể cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô, đặc biệt xe điện thông minh Một số nhà khoa học có ý tưởng sử dụng carbon silicon hệ thống lượng du hành vũ trụ tàu thám hiểm Hỏa nhằm giảm thiểu chi phí cho sứ mệnh vào không gian nhân loại 27 Một rào cản việc sử dụng xe điện (EV) trình sạc lại chậm Để khắc phục vấn đề này, nhà khoa học TankTwo Technology xem xét việc mơ-đun hóa pin Pin String Cell họ chứa tập hợp tế bào nhỏ tự tổ chức độc lập Mỗi ô bao gồm vỏ bọc nhựa, bao phủ vật liệu dẫn điện cho phép nhanh chóng dễ dàng tạo liên hệ với ô khác Một phận xử lý bên kiểm soát kết nối tế bào điện hóa Để tạo điều kiện sạc nhanh cho EV, bóng nhỏ chứa pin hút đổi chỗ cho tế bào sạc lại trạm sạc Tại trạm sạc, chúng sạc lại vào thấp điểm 28 Cơng nghệ pin String Cell 29 Lợi ích pin mang lại lớn làcũng “mỏ” hóa chất độc hại Pin thải khơng phải loại rác thơng thường, chứa nhiều hố chất độc hại cho sức khoẻ Trong pin thường có kim loại nặng chì, thủy ngân, cadmium thạch tín… chất cực độc, nguy hiểm cho não, thận, tim mạch khả sinh sản người Lượng thủy ngân (Hg) có viên pin lớn, lượng thủy ngân từ pin thấm vào nguồn nước xâm nhập vào thể qua đường ăn uống hít thở, thủy ngân thể gây hại não, thận, hệ thống sinh sản tim mạch… Chì (Pb) có pin gây rối loạn ngưng phản ứng sinh hóa diễn bình thường thể, gây nhiều chứng bệnh nguy hiểm Khi hít thở phải bụi có chứa Cadimi (Cd) pin dẫn đến vấn đề hệ hơ hấp thận, gây tử vong Nuốt phải lượng nhỏ cadimi phát sinh ngộ độc tức tổn thương gan, thận, gây ung thư Ngồi ra, pin cịn có nhiều chất khác gây nguy hiểm cho người Vì vậy, việc tạo thói quen phân loại xử lý rác thải từ pin cách quan trọng chúng ta, từ giảm nguy nhiễm mơi trường nguy hại sức khỏe người Thanks for watching! 30 ...Chương hương ỚICÔNG THIỆU TỔNG NGHỆ ỚI TRÊN XE AN VỀ XE ĐIỆN ĐIỆN CHỦ ĐỀ NHỮNG CÔNG NGHỆ PIN MỚI (NEW BATTERY TECHNOLOGIES) Phát triển giao thông xanh với nguồn... trình nạp xả Công nghệ giúp cho việc sạc lại pin nhanh dự trữ nhiều lượng Các ống nano sẵn sàng cắt theo kích thước để sử dụng thiết kế Pin Lithium 14 Một số công nghệ cải tiến Pin Li-ion Pin điện... Hình ảnh pin thể rắn 22 Pin thể rắn (solid- state battery) Ưu điểm pin thể rắn Một ưu điểm pin thể rắn có thời gian sạc nhanh Trong thử nghiệm, kết pin thể rắn sạc nhanh so với cơng nghệ pin cách