Sẽ cần đến những chiếc xe điện tốt hơn nữa để phát triển thị trường — đó là nơi những tiến bộ này xuất hiện.
Ngày nay, chúng ta đang thấy một bước tiến điên rồ sắp xảy ra đối với việc áp dụng rộng rãi ô tô điện, cộng đồng R&D đang làm việc ngày đêm để giải quyết các vấn đề hóc búa hạn chế sự thâm nhập thị trường của xe plug-in vào khoảng 4% doanh số bán xe chở khách toàn cầu: không đủ phạm vi hoặc nguyên liệu thô, và quá nhiều khối lượng và chi phí. Dưới đây là một số tiến bộ chính cần chú ý trong công nghệ pin, pin nhiên liệu và động cơ điện.
Công nghệ pin
Pin lithium-ion ngày nay chủ yếu sử dụng hóa chất oxit lithium niken mangan coban với chất điện phân lỏng hoặc gel. Những thứ này có thể bị đóng băng hoặc bắt lửa, các gai “dendrite” lithium có thể hình thành và gây đoản mạch nếu pin được sạc quá nhanh, và coban rất hiếm, đắt tiền và ngày càng khó tìm về mặt đạo đức. Hóa học phốt phát sắt liti giúp loại bỏ coban và ít bị quá nhiệt và cháy nổ. Lithium mangan oxit cũng hứa hẹn độ ổn định và an toàn nhiệt độ tốt hơn. Việc thay thế các điện cực graphit mà hầu hết các loại pin hiện nay sử dụng hứa hẹn sẽ tăng mật độ năng lượng và Tesla đã gợi ý về một thiết kế điện cực mới sử dụng dây nano silicon có thể tăng mật độ năng lượng trọng trường từ 254 Wh/kg ngày nay lên 400.
Pin thể rắn sử dụng gốm hoặc các chất điện phân rắn khác thường loại bỏ nguy cơ cháy nổ, cải thiện mật độ năng lượng và cho phép sạc lại cực nhanh. Thiết kế của QuantumScape sử dụng một bộ thu dòng điện đơn giản thay vì một anode để giảm khối lượng; các nguyên mẫu hiện đang cung cấp 400 Wh/kg, với 600 Wh được hứa hẹn. Bộ phân tách gốm của nó hứa hẹn sẽ chịu được tốc độ sạc lại gần tương đương với thời gian bạn đổ đầy bình xăng. Solid Power đang phát triển hóa chất sắt-lưu huỳnh với Ford và BMW; người sáng lập Sakti3 không còn tồn tại đang nghiên cứu về pin thể rắn cho Fisker. Và nghe nói rằng Samsung đang sản xuất pin thể rắn anode carbon bạc.
Một phát triển quan trọng khác là quản lý pin không dây, hứa hẹn sẽ thay thế hệ thống dây đồng nặng nề, tốn kém bằng giao tiếp Wi-Fi nhanh hơn. Tất cả pin GM Ultium được cho là sẽ có hệ thống như vậy. Và trên khía cạnh sẵn có của vật liệu, các nỗ lực khai thác khu vực Clarion-Clipperton của Thái Bình Dương, nơi có rải rác các nốt đa kim có kích thước bằng củ khoai tây bao gồm 29,2% mangan, 1,3% niken, 1,1% đồng và 0,2% coban . Một bộ khởi động xe điện ảo.
Pin nhiên liệu
Hầu hết các tế bào nhiên liệu ô tô sử dụng màng trao đổi proton – chúng nhỏ gọn và nhẹ và hoạt động ở nhiệt độ dễ chịu. Nhưng chúng cần độ ẩm (đặt ra những thách thức về quản lý nước và đóng băng), và chúng cần hydro tinh khiết hợp lý. Các phương tiện sản xuất sẽ sử dụng các hệ thống này trong tương lai gần. Có những pin nhiên liệu có thể chiết xuất trực tiếp hydro từ metanol, nhưng chúng tạo ra CO2 và hiện chỉ được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như xe nâng hàng. Loại thứ ba là pin dòng, trong đó một chất điện phân có chứa một hoặc nhiều phần tử hoạt tính điện hóa hòa tan chạy qua một tế bào điện hóa có thể chuyển đổi ngược chiều năng lượng hóa học trực tiếp thành điện năng, làm cạn kiệt chất điện phân. Sau đó, chất điện phân đã sử dụng phải được cung cấp năng lượng lại, bằng cách cắm vào và bơm ngược lại qua tế bào dòng chảy hoặc bằng cách thay thế nó bằng chất điện phân mới và tái cung cấp năng lượng cho chất điện phân bên ngoài. Công ty NanoFlowcell có trụ sở tại Liechtenstein đã phát triển một chiếc xe thể thao nhỏ gọn có tên gọi là Quantino được hỗ trợ bởi tế bào dòng chảy của nó nhưng chưa công bố đối tác sản xuất. Có lẽ mối quan tâm lớn hơn về mặt pin nhiên liệu là các phương pháp tiếp cận công nghệ để tạo ra, cô lập, lưu trữ và vận chuyển hydro.
Công nghệ động cơ điện
Nghiên cứu phong phú đang được tiến hành để cải thiện chi phí, trọng lượng và hiệu quả của động cơ điện. Trung Quốc sản xuất 95% vật liệu đất hiếm trong nam châm vĩnh cửu, nhưng tài trợ từ chương trình REACT của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (Các giải pháp thay thế đất hiếm trong công nghệ quan trọng) đã tạo ra ba kết quả đầy hứa hẹn: Đại học Minnesota đã phát triển một nam châm sắt-nitride mạnh và rẻ tiền, Phòng thí nghiệm Ames của University of North Texas đang khám phá xeri như một chất thay thế neodymium dồi dào hơn, và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne có một nam châm “exchange spring” trong các công trình, ngành khoa học mà những người không phải là tiến sĩ hoàn toàn không thể khám phá được (happy Googling).
Cách sắp xếp các nam châm cũng tạo ra sự khác biệt lớn. Hầu hết các động cơ đều đặt chúng sao cho các cực bắc-nam của chúng tỏa ra từ trục quay với khe hở giữa rôto và stato song song với trục. Một loại động cơ thông lượng hướng trục mới, đôi khi được gọi là “động cơ pancake”, sắp xếp các cực song song và khe hở vuông góc với trục quay. Điều này đặt các nam châm xa trục quay hơn, điều này làm tăng đòn bẩy của chúng (và do đó là mô-men xoắn) và nhiệt dễ dàng quản lý hơn. Động cơ thông lượng hướng trục mới của McLaren Artura PHEV được cho là có mật độ công suất cao hơn 33% so với động cơ được sử dụng trong siêu xe hybrid McLaren P1.
Động cơ từ trở có thể hoạt động mà không cần nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây rôto hoàn toàn và chúng cung cấp mật độ công suất cao với chi phí thấp, nhưng ồn hơn và bị “gợn sóng mô men xoắn” (một chút gián đoạn trong mô-men xoắn khi chuyển đổi giữa các cực). Nhưng cũng giống như những tiến bộ điện tử gần đây đã làm cho động cơ từ trở đồng bộ dễ điều khiển hơn, một khái niệm xung điện từ Tula Technologies hứa hẹn sẽ loại bỏ hoặc che giấu gợn sóng mô-men xoắn này, tăng sức hấp dẫn của động cơ này đối với các ứng dụng ô tô.
Động cơ điện hiệu quả đến mức hầu hết không có hộp số truyền thống, nhưng có thể đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa mô-men xoắn khởi động và hiệu suất tốc độ hành trình với tỷ số truyền thứ hai gần bằng một nửa của bánh răng khởi động. Nhà cung cấp có trụ sở tại Toronto, Inmotive, đưa ra khái niệm truyền động xích hai tốc độ lấy cảm hứng từ xe đạp derailleur không yêu cầu bôi trơn hoặc làm mát áp suất cao và nó không chịu tổn thất ma sát do nhiều bánh răng duy trì lưới liên tục. Điều này có thể kéo dài phạm vi hoặc thu nhỏ pin 7-15 phần trăm. Và Bosch đã phát triển hộp số truyền động xích đẩy CVT4EV biến thiên liên tục cung cấp tỷ số chênh lệch giữa 3.0 và 4.0, được thiết kế để cung cấp đủ mô-men xoắn từ một động cơ nhỏ hơn khi tốc độ thay đổi.
Tái sử dụng/Tái chế?
Tái sử dụng: Nissan thiết lập hệ thống để đánh giá và đóng gói lại các mô-đun pin Leaf EV của mình làm pin thay thế Leaf, pin xe nâng và như hệ thống lưu trữ năng lượng xStorage Home. Các thiết bị gia đình tương tự sử dụng lại pin EV được cung cấp bởi Powervault có trụ sở tại Anh, Box of Energy của Thụy Điển và Relectrify của Australia, nhưng thật khó để xác định chính xác số lượng hoặc phần trăm pin EV được sử dụng lại mỗi năm.
Tái chế: Khi pin không còn sử dụng được nữa, có khoảng 100 công ty toàn cầu sẽ tái chế chúng, theo Cơ quan lưu trữ năng lượng có trụ sở tại London. Theo báo cáo, họ đã cùng nhau xử lý khoảng một nửa trong số khoảng 200.000 tấn pin lithium-ion đã ngừng hoạt động trên toàn thế giới vào năm 2019. Hầu hết là ở Trung Quốc và Hàn Quốc, gần nơi sản xuất pin; tỷ lệ tái chế giảm xuống còn hơn 5% ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Úc.
Công ty Canada Li-Cycle đang xây dựng nơi hứa hẹn trở thành trung tâm tái chế pin lớn nhất Bắc Mỹ ở Rochester, New York. Nó được thiết kế để xử lý gần 28.000 tấn hàng năm — khoảng 1/3 lượng chất thải pin mà chúng ta sẽ phải đối mặt vào năm 2030. Li-Cycle tuyên bố quy trình luyện kim bằng nước (rửa trôi) của nó không bao gồm nước thải, lượng khí thải nhà kính tối thiểu và không có chất thải chôn lấp thu hồi 95% liti, niken và coban. Điều này sẽ khiến Li-Cycle trở thành nhà cung cấp chính của những kim loại này và là nguồn coban trong nước duy nhất của Hoa Kỳ.
Redwood Materials ở Carson City, Nevada, được thành lập bởi người đồng sáng lập Tesla, J.B. Straubel, sử dụng sự kết hợp của quy trình luyện kim cao nhiệt (chiết xuất nhiệt) và luyện kim bằng nước để tái chế tế bào pin. Điều này thu hồi từ 95 đến 98% niken, coban, đồng, nhôm và than chì và hơn 80% liti. Redwood có tham vọng tái chế các thiết bị điện tử tiêu dùng nói chung và những công ty khác đang khởi động các nỗ lực tái chế tương tự để thu hồi đất hiếm và các nguyên tố quý khác được sử dụng trong xe điện.
