Câu trả lời rất đơn giản là: Trên lý thuyết, khối lượng của xe điện sẽ tăng lên khi sạc đầy và giảm đi khi xe gần hết pin. Tuy nhiên không có chiếc cân nào có thể đo được sự thay đổi này. Và về thực tế, chúng ta hoàn toàn có thể nói xe điện không thay đổi khối lượng khi sạc pin.
Để giải thích một cách chi tiết, chúng ta sẽ cần biết về cách mà pin xe điện hoạt động để từ đó tìm ra câu trả lời chính xác.
1. Nguyên lý hoạt động của pin xe điện
Các xe điện hầu hết đang sử dụng pin Lithium, do vậy chúng ta sẽ lấy loại pin Lithium làm ví dụ để phân tích.
Pin Lithium về cơ bản bao gồm các thành phần sau:
- Bản cực dương: là hợp chất của Lithium
- Bản cực âm: là vật liệu graphite
- Dung dịch muối giúp vận chuyển ion Lithium
- Màng ngăn: ngăn cách bản cực dương và âm của pin, chỉ cho ion Lithim đi qua mà ngăn chặn Electron đi qua
Quá trình sạc/xả của pin Lithium:
- Quá trình xả: Khi xe điện di chuyển, pin thực hiện quá trình xả điện. Ion Lithium đang được lưu trữ trong các lớp graphite của bản cực âm di chuyển qua màng ngăn đến bản cực dương. Electron không thể đi qua màng ngăn, do vậy phải di chuyển theo hướng từ cực âm đi qua tải điện (cụ thể trường hợp này các thiết bị điện trên xe, động cơ điện) sau đó đi về bản cực dương của pin. Quá trình di chuyển của các Electron tạo thành dòng điện và giúp cho xe có thể di chuyển.
- Quá trình sạc: Ngược lại, khi sạc xe điện, dưới tác động của nguồn điện sạc, các Electron tại bản cực dương “bị ép” di chuyển về bản cực âm theo hướng đi qua mạch điện sạc do màng ngăn không cho Electron đi qua. Các ion Lithium cũng đồng thời di chuyển từ bản cực dương qua màng ngăn về bản cực âm để thiết lập một trạng thái cân bằng điện tích mới của pin. Khi toàn bộ ion Lithium và Electron di chuyển về bản cực âm và được lưu trữ trong các lớp graphite, quá trình sạc kết thúc và pin đầy.
Hiểu một đơn giản quá trình sạc/xả của pin giống như việc đẩy một quả bóng tròn lên đỉnh dốc. Quá trình sạc của pin là khi đẩy quả bóng lên, quá trình xả của pin là khi quả bóng lăn xuống dốc. Chi tiết hơn về pin Lithium và nguyên lý hoạt động, mình xin được chia sẻ chi tiết trong một bài viết khác.
Như vậy chúng ta có thể thấy, quá trình sạc/xả của pin Lithium là một quá trình khép kín trong đó chỉ có sự di chuyển qua lại của Electron và ion Lithium giữa 2 bản cực của pin, hoàn toàn không có sự thay đổi về mặt vật chất nào của pin hay của xe với bên ngoài. Vậy tại sao khối lượng của xe lại thay đổi như mình nói ở trên?
Câu trả lời liên quan đến mối quan hệ giữa năng lượng và khối lượng, công thức E = m*c^2 của Einstein.
2. Tính toán khối lượng thay đổi
Như mình đã giải thích ở trên, quá trình sạc/xả của pin giống như việc đưa một quả bóng lên đỉnh dốc rồi để quả bóng tự lăng xuống. Pin được cấp năng lượng trong quá trình sạc, năng lượng đó được lưu trữ bởi trạng thái năng lượng khác nhau của Electron. Khi pin xả điện, Electron và ion Lithium dịch chuyển từ bản cực âm về bản cực dương để trở về trạng thái năng lượng ổn định hơn khi kết hợp với các hợp chất khác cấu thành lên bản cực dương và giải phóng năng lượng.
Do vậy phần năng lượng chênh lệch giữa 2 trạng thái sạc và xả hoàn toàn của pin chính bằng dung lượng tối đa của pin.
Lấy ví dụ xe VinFast VF 8, pin có dung lượng khả dụng theo công bố của nhà sản xuất là 87.7 kWh (loại pin CATL).
Áp dụng công thức ΔE = Δm * c^2
Trong đó:
- ΔE = 87.7 * 1.000 * 3.600 = 315.720.000 (J)
- c là hằng số, sấp xỉ 3*10^8 m/s^2. Để cho đơn giản trong việc tính toán, chúng ta làm tròn c^2 = 10^17
Do vậy Δm = ΔE / c^2 = 315.720.000 / 10^17 ≈ 3.16 * 10^(-9) (kg), tức khoảng 3.16 microgam – một con số rất rất… rất nhỏ.
Để bạn dễ hình dung ra con số trên là nhỏ đến mức nào, mình xin đưa ra một vài phép so sánh như sau:
- Một hại bụi trong nhà trung bình nặng khoảng 10 microgam, tức 3.3 lần khối lượng trên.
- Một hạt cát trên đường có khối lượng khoảng 500 microgam, tức hơn 150 lần khối lượng trên.
- Một con muỗi khi đói nặng khoảng 1500 microgram, tức gần 500 lần khối lượng trên.
Như vậy bạn có thể thấy khối lượng thay đổi khi một chiếc xe VF 8 sạc/xả hoàn toàn là rất rất nhỏ. So với khối lượng của xe VF 8 vào khoảng hơn 2.500 kg, thì sự thay đổi khối lượng tính toán trên là quá nhỏ để có loại cân nào có thể cho thấy sự khác biệt.
Đến nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram (International Prototype of the Kilogram – IPK) cũng có khối lượng sai khác từ 19 đến hàng trăm microgram, thì chúng ta có thể thấy mức độ thay đổi khối lượng tính toán trên là nhỏ như thế nào. Link để bạn tham khảo thêm về IPK: International Prototype of the Kilogram
Make fun một chút: Chúng ta giả xử có thể tìm được một chiếc cân điện tử với độ nhạy rất cao, có thể cân được sự thay đổi khối lượng rất nhỏ bên trên. Tiến hành một thử nghiệm đo khối lượng thay đổi của một chiếc VinFast VF 8 trong quá trình sạc pin từ 0% đến 100%.
Theo tính toán, xe sẽ nặng thêm 3.16 microgam khi sạc đầy pin. Tuy nhiên trong quá trình sạc, có một con muỗi trước đó đậu trên xe đã bay đi cũng để “sạc pin” mà người đo không hề hay biết. Và kết quả đo cuối cùng cho thấy xe NHẸ đi 1.496,84 microgam thay vì nặng lên như tính toán 
. Đó, chỉ vì một con muỗi đói mà làm sai nguyên cả một thí nghiệm.
Do vậy về thực tế, chúng ta hoàn toàn có thể nói xe điện không thay đổi khối lượng khi sạc pin.
Hãy chia sẻ với mình những ý kiến khác của bạn trong phần comment,
Cheers,
