Tìm hiểu về pin Lithium-ion trên xe ô tô điện: cấu tạo và nguyên lý

Thứ tư, 26/11/2025, 08:08 (GMT+7)

Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng và yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính, xe ô tô điện (Electric Vehicles – EVs) đã trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành công nghiệp giao thông vận tải. Một trong những yếu tố quyết định hiệu quả và tính cạnh tranh của xe điện chính là công nghệ pin. Trong số các loại pin hiện có, pin Lithium-ion nổi lên như loại pin ưu việt nhất nhờ đặc tính lưu trữ năng lượng lớn, tốc độ sạc thuận lợi và tuổi thọ cao.

Pin Lithium-ion trên xe điện không chỉ là nguồn cung cấp năng lượng cho động cơ điện, mà còn đóng vai trò trọng yếu trong các hệ thống an toàn, điều khiển điện tử và quản lý năng lượng tổng thể của phương tiện. Việc hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý hoạt động và xu hướng phát triển của công nghệ pin Lithium-ion là nền tảng quan trọng cho các kỹ sư, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực ô tô.

1. Cấu tạo chung

Loại pin này sử dụng điện cực- được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Điện cực dương có lớp vỏ bằng nhôm, mặt trong được phủ lớp ô xít kim loại. Tùy thuộc vào thành phần của ô xít kim loại dẫn đến chất lượng, tuổi thọ và dung lượng của pin là khác nhau. Điện cực âm: Có lớp vỏ bằng đồng, mặt trong được phủ lớp than chì. Giữa 2 điện cực được bao phủ bởi chất điện phân không chứa nước và thường là từ rượu cacbonnat và ngăn cách với nhau bằng giải cách làm bằng polymer hoặc gốm.

Bảng 1. Vật liệu dùng cho điện cực dương

Điện cực dương
Hợp chất	Ứng dụng	Năm	Ưu điểm
Liti Niken Mangan Coban Oxit (NMC)	Xe điện, dụng cụ điện	2008	Năng lượng riêng và nhiệt độ năng lượng riêng cao
Liti Mangan Oxit (LMO)	Xe hybrid, điện thoại, laptop	1996	Giá rẻ, bền, năng lượng riêng cao
Liti Sắt Phốt phát (LFP)	Xe điện	1996	Nhiệt độ năng lượng trung bình, an toàn, bền nhiệt
Liti Coban Oxit	Đa dạng	1991	Năng lượng riêng cao
Liti Niken Coban Nhôm Oxit	Xe điện	1999	Năng lượng riêng cao, vòng đời dài

Bảng 2. Vật liệu dùng cho điện cực âm

Điện cực âm
Hợp chất	Ứng dụng	Năm	Ưu điểm
Graphite	Vật liệu chính cho cực âm trong hầu hết LIB	1991	Giá rẻ, tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước, hình dạng của từng lớp graphite
Liti Titannate (LTO)	Ô tô, điện lưới dự trữ	2008	Dòng điện, thời gian sạc, độ bền
Hard Carbon	Dụng cụ điện gia đình	2013	Dung lượng lớn
Hợp kim thiếc coban	Dụng cụ điện	2005	Dung lượng lớn hơn graphite
Silicon/Carbon	Điện thoại thông minh	2013	Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon nhỏ hơn 10% khối lượng

2. Cấu trúc

Hình 1. Cấu trúc cơ bản của pin xe ô tô điện

Cell pin:

• Đơn vị nhỏ nhất, nơi diễn ra quá trình trao đổi ion lithium.
• Các dạng cell phổ biến: hình trụ (18650, 21700), dạng túi (pouch), hoặc dạng khối hình hộp (prismatic).

Module:

• Tập hợp nhiều cell ghép lại theo cấu hình nối tiếp hoặc song song để đạt điện áp và dung lượng mong muốn.

Pack (bộ pin):

• Tích hợp các module, hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống làm mát, khung cơ khí bảo vệ và các cảm biến giám sát an toàn.

3. Nguyên lý

Hình 2. Nguyên lý phóng nạp

Nạp điện: Các Electron di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua dây sạc, khi các electron đến điện cực âm sẽ tạo ra lực hút để kéo các ion Lithi qua dải phân cách và nằm lại ở điện cực than chì tương tác với electron thành nguyên tử Lithi

Phóng điện: Các nguyên tử Lithi giải phóng các điện tử electron, các electron di chuyển qua mạch tiêu thụ để đến điện cực dương. Các ion Lithi có điện tích dương di chuyển qua chất điện phân về điện cực dương và được trữ tại đó. Các ion Lithi được thu nhận bởi các kim loại chuyển tiếp

4. Các loại pin Lithium-ion phổ biến trên ô tô điện

Pin NMC (Nickel Manganese Cobalt)

• Sử dụng rộng rãi trong các hãng như Hyundai, Kia, BMW.
• Ưu điểm: mật độ năng lượng cao, phù hợp cho xe cần quãng đường lớn.
• Nhược điểm: giá thành cao do sử dụng cobalt, khả năng ổn định nhiệt không cao bằng LFP.

Pin NCA (Nickel Cobalt Aluminum)

• Tesla là hãng ứng dụng phổ biến.
• Ưu điểm: mật độ năng lượng rất cao, hiệu suất tốt.
• Nhược điểm: độ an toàn nhiệt cần kiểm soát nghiêm ngặt.

Pin LFP (Lithium Iron Phosphate)

• Được sử dụng trên VinFast VF5, VF6, Tesla Model 3 (bản tiêu chuẩn).
• Ưu điểm: an toàn cao, tuổi thọ xuất sắc (3000–5000 chu kỳ), giá thành thấp.
• Nhược điểm: mật độ năng lượng thấp hơn NMC/NCA.

Pin LMNO, LMO và các biến thể khác

• Ít phổ biến hơn nhưng có đặc điểm riêng về độ bền và chi phí.