CHƯƠNG II : NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO ễ Tễ ĐIỆN
2.2. Một số loại nguồn năng lượng sử dụng cho ụ tụ điện
2.2.1. Nguồn hỗn hợp cho xe Hybrid
ễ tụ hybrid là loại xe sử dụng nguồn năng lượng hỗn hợp xăng và điện. Loại
ụ tụ này đó tương đối thụng dụng trờn thị trường và đó xuất hiện nhiều ở Việt Nam.
Toyota Prius, Ford Escape Hybrid hay Lexus GS Hybrid là những mẫu xe đó khỏ quen thuộc trờn đường phố nước ta. Xe hybrid sử dụng hai hệ thống truyền động là
động cơ đốt trong và động cơ điện với hai nguồn năng lượng riờng là xăng và ắc
quy. Hai hệ truyền động được nối với nhau bằng cơ cấu cơ khớ (coupling), động cơ đốt trong khi hoạt động cũn đúng vai trũ là động cơ sơ cấp kộo một mỏy phỏt điện
nạp cho ắc quy.
Xe hybrid được coi là bước chuyển tiếp giữa xe xăng và xe điện. Mặc dự
hiện nay hệ thống nguồn hỗn hợp vẫn cũn nhiều triển vọng phỏt triển, nhưng trong
33
Hỡnh 2.5. Minh họa cấu trỳc hệ truyền động và nguồn năng lượng xe ụ tụ hybrid 2.2.2. Ắc quy chỡ - axớt
Ắc quy chỡ - axớt là một trong những kiểu ắc quy đầu tiờn trờn thế giới, nú
được sử dụng rất phổ biến vỡ giỏ thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như khụng cú
nguy cơ chỏy nổ). Tuy nhiờn, loại ắc quy này cú mật độ năng lượng thấp nờn rất
nặng, tuổi thọ kộm (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đỳng tiờu chuẩn), nạp chậm và khú tỏi chế. Hơn nữa, chỡ là một chất cú hại đối với sức khỏe nờn sau khi hết thời hạn sử dụng, nếu khụng được thu gom đỳng cỏch và tỏi chế thỡ ắc quy chỡ cú thể trở thành một thảm họa mụi trường. Mặc dự ắc quy chỡ - axớt cũn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nú vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vỡ giỏ thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc.
34
Bảng 1-1: Cỏc chi phớ liờn quan đến bảo trỡ ắc quy
Đặc tớnh Ắc quy cú bảo dưỡng
($) AGM($) Gel($) Khối AGM($) Giỏ ắc quy 20000 24000 20000 19000 Giỏ đỡ 2200 2200 2200 Ngăn chặn tràn 1700 Cài đặt 5000 5000 5000 3600 Thụng giú 2000 Bảo trỡ trong 20 năm 14400-45000 7200-38500 7200-35000 7200-30000 Chi phớ lắp đặt ban đầu 30000 31000 27000 22000 Chi phớ hàng năm 2500 2000 2000 1500 2.2.3. Ắc quy NiMH
Cỏc ắc quy NiMH được coi là một sự kế thừa nổi bật trờn thị trường trong
một thời gian dài - hệ thống ắc quy Nickel Cadmium (Ni - Cd). Những ắc quy này
đó tồn tại từ giai đoạn chuyển giao thế kỷ. Hệ thống ắc quy Ni - Cd bắt đầu với một
khởi đầu khiờm tốn, nhưng những tiến bộ nhanh trong bốn thập kỷ qua kể từ những
năm 1950, cụng suất ắc quy đó được cải thiện gấp bốn lần.
Vấn đề mụi trường, đẩy nhanh sự phỏt triển của hệ thống ắc quy thay thế
NiMH. Từ khi thành lập từ đầu những năm 1980 đến giữa năm 1980, thị phần của
ắc quy NiMH cú thể sạc lại đó tăng 35% và cụng suất, đặc biệt là khả năng tải cao, đó được cải thiện đỏng kể.
Cỏc ấn phẩm khoa học và bài viết được cấp bằng sỏng chế cung cấp một số
lượng lớn bỏo cỏo liờn quan đến cỏc khớa cạnh khỏc nhau của ắc quy NiMH, gồm cỏc đặc tớnh húa học và đặc tớnh lưu trữ hidro của vật liệu làm catot. Tuy nhiờn, điều
quan trọng là hiểu cỏc tiờu chuẩn thiết kếđể tối ưu húa hiệu suất và mở rộng vũng
35
Cỏc hợp kim AB5 (LaNi5) và AB2 (TiN2) được nghiờn cứu như là một phần
của ắc quy NiMH. Cả hai hợp kim này cú khả năng lưu trữ hidro gần như nhau,
khoảng 1,5% trọng lượng. Khả năng lưu trữ hidro tối đa theo lý thuyết của hợp kim
AB2 cao hơn một chỳt, 2% tớnh theo trọng lượng, hợp kim AB5 là 1,6% tớnh theo
trọng lượng. Khả năng lưu trữ Hidro của AB5 tớnh theo trọng lượng cú thể đạt được
cao hơn chỉ khi kớch thước ắc quy lớn hơn. Điều này sẽ trở thành một yếu tố khụng
mong muốn cho cỏc thiết kế ắc quy xe điện nhỏ gọn. Khỏi niệm cơ bản về cực õm của ắc quy NiMH cú được từ việc nghiờn cứu cỏc hợp kim kim loại, cỏc hợp kim này cú thể giữ và giải phúng hidro với thể tớch gấp một nghỡn lần thể tớch của chỳng. Bản Catot chủ yếu gồm một lượng lớn cỏc cỏc hạt kim loại mịn bị nộn lại. Cỏc nguyờn tử hidro nhỏ hơn nhiều nờn dễ dàng bị hấp thụ vào cỏc khe nứt của một cực õm lưỡng kim và nú cú thể mở rộng lờn đến 24% thể tớch. Điện cực hidrit cú mật độ cụng suất lờn đến 1.800mAh/cm3.
Vỡ vậy, ắc quy NiMH kớch thước càng nhỏ, mật độ năng lượng càng cao, với
hợp kim AB5 là khoảng 8-8,5g/cm3, với hợp kim AB2 thỡ mật độ năng lượng tương
đối thấp hơn, khoảng 5-7g/cm3. Mặc dự thụng thường, phương phỏp sản xuất cỏc
vật liệu ắc quy AB5 bao gồm cỏc bước:
Bước 1: Núng chảy và làm mỏt nhanh chúng của cỏc thỏi kim loại lớn.
Bước 2: Mở rộng xử lý nhiệt để loại bỏ tớnh khụng đồng nhất về thành phần
vi mụ.
Bước 3: Phỏ vỡ thỏi kim loại lớn thành từng miếng nhỏ bằng quỏ trỡnh hydrua và dehydrua.
Bước 4: Nghiền cỏc mảnh phụi đó được ủ thành bột mịn.
Quỏ trỡnh sản xuất bốn bước này là yếu tố quan trọng để thương mại húa
rộng rói ắc quy NiMH. Quỏ trỡnh này cú thể được loại bỏ và thay thế bằng một bước
duy nhất bằng cỏch xử lý húa rắn nhanh bột AB5 dựng phun khớ ỏp suất cao. Đặc
tớnh hấp thụ và giải hấp thụ khớ H2 của hợp kim được xử lý bằng phun khớ ỏp suất
36
2.2.4. Ắc quy Ion Li
Ắc quy Ion Li là loại thứ ba cú thể được thương mại húa cho cỏc ứng dụng xe điện. Bởi vỡ Li là kim loại cú thế õm cao nhất và khối lượng nguyờn tử thấp nhất,
cỏc ắc quy dựng Li cú thế năng lớn nhất cho bước đột phỏ cụng nghệ, điều này sẽ
làm cho xe điện cú những đặc tớnh sử dụng lớn nhất về tốc độ và phạm vi sử
dụng. Thật khụng may, bản thõn kim loại Li dễ phản ứng với khụng khớ và với hầu hết cỏc chất điện phõn lỏng. Để trỏnh cỏc vấn đề liờn quan tới kim loại Li này, Li
được đan xen cỏc nguyờn tử cacbon graphic (C xỏm) (LixC), LixC được sử dụng và
cho thế năng tốt với hiệu suất cao, trong khi duy trỡ ắc quy an toàn.
Trong quỏ trỡnh xả của ắc quy ion Li, cỏc ion Li được giải phúng khỏi cực
dương và đi qua một chất điện phõn hữu cơ đến cực õm. Chất điện phõn hữu cơ (tức
là khụng phải dung dịch nước) bền, chống lại sự khử do Li. Quỏ trỡnh oxi húa ở cực
õm là cần thiết vỡ Li phản ứng húa học với nước trong dung dịch chất điện
phõn. Khi Li ion tới cực õm, nú nhanh chúng kết hợp với vật liệu làm cực õm. Quỏ trỡnh này cú thể dễ dàng đảo ngược. Bởi vỡ sự hồi phục nhanh chúng của ion Li, cỏc
ắc quy ion Li cú thể nạp và xảnhanh hơn ắc quy Pb - axit và ắc quy NiMH. Ngoài
ra, ắc quy ion Li tạo ra cựng một lượng năng lượng như ắc quy NiMH, nhưng nú
thường nhỏ hơn 40% và trọng lượng bằng một nửa. Điều này cho phộp sử dụng số ắc quy gấp hai lần trong một xe điện, do đú tăng gấp đụi năng lượng lưu trữ và tăng
phạm vi sử dụng xe.
Cú nhiều loại vật liệu khỏc nhau sử dụng được trong ắc quy ion Li. Núi chung, cỏc vật liệu làm anot đang được kiểm tra là cỏc dạng khỏc nhau của cacbon,
đặc biệt là vật liệu C than chỡ và C cú chứa hidro. Ba loại oxit kim loại chuyển tiếp đang được đỏnh giỏ làm catot (cực õm): coban, niken, và mangan. Những phỏt triển ắc quy ban đầu sử dụng oxit coban, là kỹ thuật được ưa thớch hơn oxit niken và oxit
mangan. Tuy nhiờn, oxit coban đắt nhất trong ba loại, đến oxit niken, oxit mangan là ớt tốn kộm nhất.
Trong ắc quy Ion Li, õm cực là oxit coban, õm cực này hiện đang được sản xuất từ một lỏ nhụm phủ oxit coban. Cỏc cực dương được sản xuất bằng một tấm
37
đồng mỏng, được phủ một lớp vật liệu cacbon. Cỏc tấm được xếp từng lớp với một
tấm nhựa phõn cỏch, sau đú cuộn lại giống như cuộn keo và đặt bờn trong một thựng thộp chứa đầy một chất điện phõn lỏng cú chứa Li hexafluoro-phosphate. Những loại ắc quy này cú điện ỏp mạch mở (OCV) khoảng 4.1V lỳc xạc đầy.
Ngoài ra, thế năng của chỳng với năng lượng cực cao, ắc quy Ion Li cũng cú một thế năng rất tốt cho tuổi thọ lõu dài. Dưới sự hoạt động bỡnh thường, cú vài thay
đổi về cấu trỳc của cực dương và cực õm bằng cỏch đan xen và loại bỏ cỏc ion Li
nhỏ hơn. Hơn nữa, điện thế cao và cấu trỳc thụng thường của ắc quy Ion Li hứa hẹn chi phớ ắc quy thấp, đặc biệt là khi coban được thay thế bởi mangan.
Vấn đề sạc quỏ mức ở ắc quy Li-ion, giống như cỏc ắc quy Pb-axit và
NiMH, phải được kiểm soỏt cẩn thận để trỏnh phỏ hủy dạng điện cực hoặc phõn hủy chất điện phõn. Bởi vỡ chất điện phõn trong một ắc quy Li-ion khụng phải là dung dịch nước, nờn loại bỏ được sự thoỏt khớ khi hũa tan dung dịch. Sự phỏt triển của hệ thống quản lý ắc quy tiờn tiến là chỡa khúa để đảm bảo rằng ắc quy Li ion hoạt động an toàn trong quỏ trỡnh hoạt động bỡnh thường cũng như trong trường hợp tai nạn
xe. Cũng như ắc quy Pb-axit và ắc quy NiMH, hệ thống sạc ắc quy Ion Li phải cú
khả năng thớch hợp với hệ thống quản lý ắc quy để đảm bảo rằng khụng sạc quỏ
mức. Ắc quy Ion Li ở trạng thỏi rắn cú thể sạc lại, cung cấp năng lượng trờn mỗi
đơn vị trọng lượng và thể tớch cao hơn. Hơn nữa, ắc quy Ion Li thõn thiện với mụi trường hơn so với ắc quy Ni, là ắc quy dựng chất húa học NiMH.
Ắc quy Ion Li nhanh chúng được thương mại húa trong những năm 1960 và
1970. Sự phỏt triển của Li cú thể sạc lại chậm hơn nhiều so NiMH và Pb-axit do lỗi cell ắc quy, lỗi này gõy ra bởi sự hỡnh thành khoỏng Li dendrite và phản ứng của bột
Li tăng cao do tớnh chu kỳ. Để khắc phục lỗi này, người ta đó đề xuất giải phỏp thay
thế kim loại Li. Một vật liệu thay thế dựa trờn vật liệu cacbon, kộo theo một thiết kế mới, được gọi là ghế rung hoặc van con thoi, trong đú ion liti chạy giữa anot và catot. Trong quỏ trỡnh phúng điện, cỏc ion Li di chuyển từ cực dương sang cực õm. Trong quỏ trỡnh nạp, cỏc ion Li di chuyển từ cực õm sang cực dương. Thế của
38
cực dương được phủ oxit Li gần với thế của kim loại Li (khoảng 10mV), và do đú,
điện thế của cell bị giảm khụng đỏng kể.
Ion Li chạy giữa cỏc cực dương và cực õm rất ớt hoặc khụng cú sự tớch tụ của kim loại Li trờn bề mặt cực dương như trong trường hợp ắc quy kim loại Li cú thể sạc lại. Do đú làm cho cỏc ắc quy Ion Li an toàn khi sử dụng.
Ắc quy Ion Li trạng thỏi rắn cú một số lợi thế hơn cỏc ắc quy điện phõn lỏng.
Mặc dự loại ắc quy Ion Li lỏng đó xuất hiện được khoảng vài năm, nhưng ắc quy
Ion Li trạng thỏi rắn được giới thiệu trờn thị trường thương mại trong năm 1995 căn bản là vượt trội. Mật độ năng lượng vượt quỏ 100Whr/kg và 200Whr/L. Dải nhiệt độ hoạt động của ắc quy này rộng, từ -20°C đến 60°C.
Tập đồn Sony đó kết hợp khỏi niệm ghế lắc vào trong thiết kế cỏc cell Ion Li cho cỏc ứng dụng thương mại. Kể từ khi Sony Ener- gytec, Inc, giới thiệu ắc quy
Ion Li vào năm 1991, cỏc nỗ lực phỏt triển đang được bựng nổ. Tập đồn Sony đó
cụng bố: sản xuất tăng lờn 15 triệu ắc quy mỗi thỏng vào năm 1997. Mối quan tõm về độ an tồn đó thỳc đẩy phỏt triển chất điện phõn Polyme dạng gel. Sony đó phỏt triển chất điện phõn chậm chỏy, chất này tạo thành một lớp vỏ phõn tử cacbon. Vỏ
này ngăn chặn sự bốc hơi của dung mụi hữu cơ và phõn lập chất điện phõn khỏi sự
đốt chỏy - chống oxi. Đẩy mạnh sản xuất 30 triệu ắc quy mỗi thỏng trong năm từ
năm 1997.
Trong quỏ trỡnh sạc, tại cực dương của cell Ion Li xảy ra phản ứng:
Và tại cực õm của cell Ion Li xảy ra phản ứng:
Trong quỏ trỡnh xả, tại anot của cell Ion Li xảy ra phản ứng:
39
Cell Ion Li của tập đoàn Sony Corp gồm cực dương là cacbon được Li húa, catot là LixCoO2 và chất điện phõn khụng phải là dung dịch nước. Cỏc nhà sản xuất
ắc quy khỏc đi sau với cỏc loại cell cựng dựa trờn cơ sở húa học, dành cho cỏc ứng
dụng xe điện.
Hệ thống VARTA với oxit Li/cacbon được biết đến dưới tờn Ion Li. Cả hai
điện cực xen kẽ thuận nghịch dẫn đến giải phúng Li mà khụng làm thay đổi cấu trỳc
chớnh của chỳng. Ắc quy Ion Li hoạt động ở nhiệt độ phũng. Do mức điện thế cell
cao nờn ắc quy cần một chất điện phõn hữu cơ.
Cỏc cell Ion Li đầu tiờn dành cho xe điện được dựa trờn catot là LiCoO2 (Li-
oxit coban) và cho cụng suất 30Ahr. Sau khi phõn tớch kết quả chi tiết ở cực dương
và cực õm LiCoO2, LiNiO2, và LiMnO4, cỏc nhà sản xuất ắc quy quyết định tập
trung vào phỏt triển của sắc quyển Li-mangan. Bờn cạnh cỏc cell Ahr 30, hai loại cell khỏc dựa trờn LiMn2O4 được phỏt triển bởi VARTA. Tất cả cỏc cell Ion Li cú một vỏ bọc thộp lăng trụ và cấu hỡnh điện cực xếp chồng lờn nhau. Do hiệu suất cỏc
cell hỡnh lăng trụ lớn cú năng lượng riờng lớn hơn 100Whr/kg và năng lượng riờng
lớn hơn 200WHR/kg đỏp ứng cỏc yờu cầu của ắc quy xe điện, những nỗ lực nghiờn cứu chuyờn sõu về cỏc vật liệu điện cực dương chi phớ thấp đó đạt được những phỏt triển đỏng kể về vật liệu điện cực. Bằng cỏch tổng hợp cấu trỳc sắc quyển oxit Li
mangan đặc biệt cú cụng suất riờng gần giống như cỏc cell của ắc quy sắc quyển
oxit coban, cỏc ắc quy cú cụng suất 60Ahr hiện nay đang cú sẵn và chỳng cú khả
năng cung cấp một năng lượng riờng 115Whr/kg.
Bảng 1 - 2 túm tắt những tiến bộ đó đạt được giữa năm 1980 và 2000 về sự phỏt triển của hệ thống ắc quy Li.
Bảng 1 - 2: Sự phỏt triển hệ thống ắc quy Li - ion
Năm Catot Anot Chất điện phõn Hệ thống ắc quy
1980-1990 LiWO2 LiCoO2, LiNiO2 Polyme Li/MoO2, LiVOx
40
2.2.5. Ắc quy Li - Polyme
Ắc quy Li - polyme cú thể là loại ắc quy đứng thứ 4 được thương mại húa
cho cỏc ứng dụng xe điện. Việc phỏt hiện ra cỏc chất rắn phi kim loại cú khả năng
dẫn ion đó cho phộp phỏt triển loại ắc quy này. Ắc quy Li - polyme cú cực dương
làm bằng Li hoặc cacbon xen lẫn với Li. Một ứng cử viờn catot khỏc chứa oxit
vanadi (V6O13). Ắc quy húa học đặc biệt này cho một trong những thế năng lớn
nhất với năng lượng riờng và cụng suất cao nhất. Thật khụng may, những thỏch thức khi thiết kế liờn quan đến động học của cỏc điện cực ắc quy, khả năng catot và anot hấp thụ và giải phúng cỏc ion Li, làm cho năng lượng riờng thấp hơn và chu kỳ sống
ắc quy Li-polyme bị giới hạn.
Bộ gom dũng của ắc quy Li - polyme thường được làm bằng hoặc lỏ đồng hoặc lỏ nhụm mà được bao quanh bởi một vật liệu dẫn nhiệt thấp, chẳng hạn như