Xe điện (EV) tích hợp nhiều đổi mới công nghệ, là một thành tựu kỹ thuật hứa hẹn sẽ thay đổi lĩnh vực giao thông hiện tại và tương lai. Mặc dù nó có nhiều ưu điểm hơn so với xe động cơ đốt trong (ICE) truyền thống, nhưng vẫn phải đối mặt với những thách thức về quãng đường di chuyển và hiệu suất năng lượng. Để cải thiện hai yếu tố này, cần có những đổi mới ở nhiều khía cạnh khác nhau của xe điện, trong đó một trong những giải pháp là giảm trọng lượng.
Theo các phương tiện truyền thông, các nhà nghiên cứu từ Quỹ Nghiên cứu Công nghiệp và Kỹ thuật Na Uy (SINTEF) và Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) đang tìm cách giảm trọng lượng của các dẫn điện sử dụng trong xe điện để đối phó với những thách thức nêu trên.
Quá trình hàn (Nguồn hình ảnh: NTNU)
Trọng lượng của xe (xe điện hoặc xe động cơ đốt trong) ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng cần thiết để vận hành, tương ứng với tiêu thụ điện và tiêu thụ nhiên liệu. Trong xe điện, trọng lượng của các bộ phận như dây đồng dao động từ 83 đến 368 kg (hoặc từ 183 đến 814 pound) trên ô tô chở khách và xe buýt. Mặc dù trọng lượng này chiếm tỉ lệ nhỏ trong tổng trọng lượng xe, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng qua việc thực hiện một loạt cải tiến nhỏ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của xe điện.
Kim loại lai
Đồng, do có chi phí thấp, dễ dàng tìm thấy, độ bền cao, dẫn điện tốt và tính dẻo dai cao, đã trở thành dẫn điện (vật liệu) phổ biến nhất, có thể được uốn thành hình dáng mong muốn. Tuy nhiên, trọng lượng của nó có thể ảnh hưởng đến quãng đường di chuyển và hiệu suất của xe điện, từ đó hạn chế khả năng sử dụng rộng rãi. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất giải quyết vấn đề này bằng cách thay thế các bộ phận đồng trong xe điện bằng bộ phận nhôm. Tính dẫn điện của nhôm tương tự như đồng và nó cũng có tính dẻo dai. Thêm vào đó, nhôm nhẹ hơn rất nhiều, chỉ bằng một phần ba mật độ của đồng.
Thách thức của việc thêm nhôm là phương pháp hàn nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự trộn lẫn kim loại, làm ảnh hưởng đến tính dẫn điện và tạo ra các hợp chất kim loại giòn có tính dẫn điện kém hơn kim loại ban đầu. Các nhà nghiên cứu đang khám phá việc sử dụng hàn lạnh như một giải pháp thay thế để tạo ra các dẫn điện hỗn hợp chất lượng cao. Phương pháp này sử dụng nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các phương pháp hàn truyền thống, do đó giảm khả năng xuất hiện các vùng có tính dẫn điện kém.
Kết quả triển vọng
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ được cấp bằng sáng chế do NTNU phát triển – ép và gắn kim loại lai (Hybrid Metal Extrusion & Bonding, HYB). Phương pháp này sử dụng áp lực cơ học và ma sát, tại giao diện giữa đồng và nhôm để tạo ra các liên kết hợp chất kim loại mỏng và phát triển chậm.
Giải pháp này tạo ra những cải thiện tốt hơn vì các đặc tính điện và cơ học của dẫn điện hỗn hợp khó bị thay đổi hơn. Do đó, các nhà nghiên cứu đã sản xuất ra một loại dẫn điện bao gồm các phần khác nhau, mỗi phần thực hiện một vai trò khác nhau tùy thuộc vào vị trí của nó trong xe điện.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại kính hiển vi điện tử khác nhau để kiểm tra giao diện và xác nhận các đặc tính của nó. Kết quả sơ bộ cho thấy công nghệ HYB tạo ra liên kết mạnh hơn giữa đồng và nhôm so với các công nghệ hàn khác.
Mặc dù kết quả nghiên cứu rất khuyến khích, các nhà nghiên cứu vẫn phải đối mặt với một số thách thức. Độ bền cơ học của nhôm nguyên chất không cao như đồng, nghĩa là mặc dù hợp kim được chế tạo có thể tăng cường độ bền của nó, nhưng nó lại nhạy cảm với nhiệt độ cao, dẫn đến sự giảm độ bền trong quá trình hàn. Jørgen A. Sørhaug từ SINTEF cho biết: “Chúng tôi cũng đã phân tích nguyên nhân giảm độ bền từ cấp độ nguyên tử và tìm hiểu cách cải thiện hợp kim này để nó có thể chịu nhiệt tốt hơn.”
Tác động của nghiên cứu tại Na Uy
Kết quả của nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đối với ngành công nghiệp xe điện của Na Uy, quốc gia có tỷ lệ xe điện phổ biến nhất thế giới. Năm 2024, khoảng 89% doanh số xe mới tại quốc gia này sẽ là xe điện hoàn toàn. Đối với xe nhẹ, kết quả này có thể chuyển đổi trực tiếp thành quãng đường di chuyển dài hơn, trong khi quãng đường di chuyển là một trong những yếu tố được người tiêu dùng quan tâm nhất khi mua xe. Điều này cũng có thể ảnh hưởng đến lĩnh vực vận tải thương mại, có khả năng nâng cao quãng đường di chuyển và hiệu suất của xe buýt và xe tải điện, từ đó nâng cao tính khả thi của những loại phương tiện này.
Randi Holmestad từ NTNU cho biết: “Thông qua việc cấu trúc lại vi mô và tối ưu hóa hình dạng hàn, chúng tôi có thể tạo ra cấu trúc nano tại giao diện, từ đó nâng cao độ bền và tính dẫn điện, đặc tính này rất nổi bật trong các ứng dụng điện như hệ thống pin.”
