Công nghệ pin mới cho ô tô điện bay

Máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng bằng điện (eVTOL) ngày càng thu hút sự quan tâm đặc biệt đối với những dịch vụ vận chuyển hàng không đô thị. Công ty tư vấn quản lý Roland Berger tại Munich, Đức cho biết: Hiện đang có 95 dự án eVTOL, được phát triển trên toàn thế giới.

Nhưng phát triển pin cho ô tô bay điện là một khó khăn lớn. Các nhà nghiên cứu phải giới hạn về khối lượng pin cho ô tô bay. Pin điện phải cung cấp công suất rất cao trong khi phương tiện bay lên và hạ cánh. Pin điện cũng cần mật độ năng lượng cao để duy trì trong  khoảng thời gian bay.

Mô hình thương mại cho máy bay eVTOL ban đầu sẽ là dịch vụ taxi hàng không, nên pin điện cần được sạc lại nhanh và thường xuyên, cho phép taxi bay đáp ứng được yêu cầu khách hàng trong giờ cao điểm.

Pin lithium-ion suy giảm chất lượng khi được sạc nhanh ở nhiệt độ môi trường dưới 50 độ F (10 độ C) do các hạt liti sẽ lắng đọng thành các gai trên bề mặt cực dương. Lớp mạ lithium này làm giảm dung lượng pin, gây hiện tượng đoản mạch và nổ. Pin khi làm nóng trên ngưỡng mạ lithium, sẽ không thể hiện lớp mạ lithium. 

Chao-Yang Wang, Chủ tịch ngành kỹ thuật cơ khí, giáo sư kỹ thuật hóa học, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, Giám đốc Trung tâm Động cơ Điện hóa tại trường đại học Penn State Mỹ cho biết, mỗi máy bay có thể phải thực hiện 15 chuyến đi trong giờ cao điểm buổi sáng và 15 chuyến khác vào giờ cao điểm buổi tối để bù đắp cho chi phí đầu tư và thu lợi, ví dụ như từ trong thành phố đến sân bay, chở ba đến bốn khách hàng với khoảng 80km.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nhà khoa học của GS Chao-Yang Wang phát triển nguyên mẫu pin, có thể đáp ứng các chuyến bay của eVTOL có độ dài 80 km, mật độ năng lượng 271kWh cho mỗi kg. Những pin lithium-ion này duy trì hơn 2.000 chu kỳ sạc nhanh trong suốt thời gian sử dụng và sạc lại chỉ mất 5 - 10 phút.

Pin được thiết kế trên công nghệ mà các nhà khoa học phát triển cho các loại xe điện tiêu chuẩn, tích hợp các lá niken mỏng 10 micron, một đầu được gắn vào cực âm và đầu kia kéo dài ra bên ngoài pin tạo ra đầu cuối thứ ba. Một cảm biến nhiệt độ, gắn với một công tắc cho dòng điện chạy qua lá niken hoàn thành mạch điện. Điện tích làm nóng lá niken bằng điện trở, khiến khi sạc, pin nhanh chóng nóng lên đến 60 độ C. Sau khi sạc xong, pin được làm mát bằng hệ thống điều hòa trong xe ô tô bay. Ngoài ra, nguyên mẫu pin điện cho eVTOL khi làm nóng sẽ xả hết điện năng còn lại, làm giảm điện trở trong, nhờ đó có thể sạc lại nhanh.

Sơ đồ sạc của một pin điện, các i-on chạy từ cực âm sang cực dương, tạo thành điện năng cho pin.

Theo GS Chao-Yang Wang, kỹ thuật tự làm nóng của pin có tốc độ làm nóng từ 1 - 5 độ C mỗi giây, tiêu thụ 0,8% năng lượng pin cho mỗi lần tăng 10 độ C. Đồng thời, lá niken được nhúng chỉ thêm 1,5% trọng lượng và thể tích, chi phí bằng 0,3% cho một pin điện.

Nhóm nhà khoa học của GS Chao-Yang Wang đã nghiên cứu hơn 10 năm để đưa ý tưởng làm nóng pin đến hoàn thiện các nguyên mẫu pin khác nhau hiện nay. Thách thức lớn nhất mà nhóm khoa học phải đối mặt là giảm độ phức tạp của pin đến tối thiểu.

Nhóm nghiên cứu hiện đang áp dụng công nghệ này cho các pin hóa học với mật độ năng lượng lớn hơn. Các nhà khoa học phát triển thế hệ pin với mật độ năng lượng 350 - 400kWh cho mỗi kg khối lượng, giảm chi phí xuống còn 50USD cho mỗi kWh, duy trì thời gian sạc từ 5 - 10 phút.