Từ pin phiến của BYD, đến pin không chứa coban của Honeycomb Energy, rồi đến pin natri-ion của kỷ nguyên CATL, ngành công nghiệp pin điện đã trải qua sự đổi mới liên tục. Ngày 23 tháng 9 năm 2020 - Ngày Pin Tesla, Giám đốc điều hành Tesla Elon Musk đã cho thế giới thấy một loại pin mới – pin 4680.
Trước đây, kích thước của pin lithium hình trụ chủ yếu là 18650 và 21700, còn 21700 có năng lượng nhiều hơn 50% so với 18650.Pin 4680 có dung lượng gấp 5 lần pin 21700 và pin mới có thể giảm chi phí cho mỗi kilowatt giờ khoảng 14% và tăng phạm vi bay lên 16%.
Musk thẳng thắn tuyên bố rằng loại pin này sẽ tạo ra một chiếc ô tô điện trị giá 25.000 USD.
Vậy nguồn pin đáng sợ này đến từ đâu?Tiếp theo, chúng tôi phân tích từng cái một.
1. Pin 4680 là gì?
Cách đặt tên pin điện của Tesla rất đơn giản và dễ hiểu.Pin 4680, đúng như tên gọi, là loại pin hình trụ có đường kính một cell là 46mm và cao 80mm.
Ba kích cỡ khác nhau của pin hình trụ lithium-ion
Có thể thấy từ hình ảnh, so với pin 18650 và 21700 nguyên bản của Tesla, pin 4680 trông như một người đàn ông cao lớn và khỏe mạnh.
Nhưng pin 4680 không chỉ là thay đổi kích thước, Tesla đã tích hợp rất nhiều công nghệ mới để cải thiện hiệu suất.
Thứ hai, công nghệ mới của pin 4680
1. Thiết kế tai không điện cực
Bằng trực quan, cảm giác lớn nhất của 4680 là nó lớn hơn.Vậy tại sao trước đây các nhà sản xuất khác không làm pin lớn hơn.Điều này là do thể tích càng lớn và năng lượng càng cao thì nhiệt càng khó kiểm soát và mối đe dọa an toàn do cháy nổ càng lớn.
Tesla rõ ràng cũng đã cân nhắc điều này.
So với pin hình trụ trước đây, cải tiến lớn nhất về cấu trúc của pin 4680 là vấu không điện cực, còn được gọi là vấu đầy đủ.Trong pin hình trụ truyền thống, các lá đồng dương và âm và bộ tách lá nhôm được xếp chồng lên nhau và quấn lại. Để rút ra các điện cực, một dây dẫn gọi là tab được hàn vào hai đầu của lá đồng và lá nhôm.
Chiều dài cuộn dây của pin 1860 truyền thống là 800mm. Lấy lá đồng có độ dẫn điện tốt hơn làm ví dụ, chiều dài của các tab để dẫn điện ra khỏi lá đồng là 800mm, tương đương với dòng điện đi qua sợi dây dài 800mm.
Theo tính toán, điện trở khoảng 20mΩ, chiều dài cuộn dây của pin 2170 khoảng 1000mm, điện trở khoảng 23mΩ.Có thể dễ dàng chuyển đổi rằng màng có cùng độ dày cần được cuộn thành pin 4680 và chiều dài cuộn dây khoảng 3800mm.
Có nhiều nhược điểm khi tăng chiều dài cuộn dây. Các electron cần phải di chuyển một quãng đường dài hơn để chạm tới các tab ở hai đầu của pin, điện trở sẽ tăng lên và pin sẽ dễ bị nóng hơn.Hiệu suất của pin sẽ suy giảm và thậm chí tạo ra các vấn đề về an toàn.Để rút ngắn quãng đường di chuyển của các electron, pin 4680 sử dụng công nghệ tai không điện cực.
Tab không điện cực không có tab mà biến toàn bộ bộ thu dòng thành một tab, đường dẫn không còn phụ thuộc vào tab và dòng điện được truyền từ truyền bên dọc theo tab đến tấm thu sang truyền dọc của người thu gom hiện tại.
Toàn bộ chiều dài dẫn điện đã thay đổi từ 800 đến 1000mm của chiều dài lá đồng 1860 hoặc 2170 thành 80mm (chiều cao pin).Điện trở giảm xuống 2mΩ và mức tiêu thụ điện trở bên trong giảm từ 2W xuống 0,2W, giảm trực tiếp một bậc độ lớn.
Thiết kế này giúp giảm đáng kể trở kháng của pin và giải quyết vấn đề nóng lên của pin hình trụ.
Một mặt, công nghệ tai không điện cực làm tăng diện tích dẫn dòng điện, rút ngắn khoảng cách dẫn dòng điện và giảm đáng kể điện trở trong của pin; việc giảm điện trở trong có thể làm giảm hiện tượng bù dòng điện và kéo dài tuổi thọ của pin; việc giảm điện trở cũng có thể làm giảm sự sinh nhiệt và lớp phủ dẫn điện. Diện tích tiếp xúc hiệu quả giữa lớp và nắp đầu pin có thể đạt 100%, có thể cải thiện khả năng tản nhiệt.
Pin 4680 áp dụng loại công nghệ tai không điện cực mới về cấu trúc tế bào, có thể giảm chi phí và tăng hiệu quả.Mặt khác, quá trình hàn các tab được bỏ qua, hiệu quả sản xuất được cải thiện và tỷ lệ khuyết tật do hàn có thể giảm xuống.
Sơ đồ cấu trúc đơn cực và toàn cực
2. Kết hợp với công nghệ CTC
Nói chung, kích thước ắc quy càng lớn thì số lượng ắc quy cần lắp trên cùng một xe càng ít.Với 18650 ô, một chiếc Tesla cần 7100 ô.Nếu bạn sử dụng pin 4680 thì chỉ cần pin 900.
Càng ít pin, chúng có thể được lắp ráp càng nhanh, hiệu suất càng cao, càng ít xảy ra sự cố ở các liên kết trung gian và giá càng rẻ.Theo Tesla, 4680 cỡ lớn có thể giảm giá thành sản xuất pin tới 14%.
Để nâng cao mật độ năng lượng của bộ pin, pin 4680 sẽ được kết hợp với công nghệ CTC (Cell to Chassis).Đó là tích hợp các tế bào pin trực tiếp vào khung máy.Bằng cách loại bỏ hoàn toàn các mô-đun và bộ pin, các tế bào pin sẽ trở nên nhỏ gọn hơn, số lượng bộ phận pin sẽ giảm đi đáng kể và việc tận dụng không gian của khung máy cũng sẽ được cải thiện đáng kể.
CTC có những yêu cầu nhất định về độ bền kết cấu của pin. Bản thân pin phải chịu rất nhiều sức bền cơ học. So với pin 18650 và 2170, pin đơn 4680 có độ bền kết cấu lớn hơn và độ bền kết cấu cao hơn, pin vỏ vuông nói chung là vỏ nhôm. Vỏ 4680 được làm bằng thép không gỉ, đảm bảo độ bền kết cấu vốn có.
So với pin vỏ vuông, cách bố trí của pin hình trụ sẽ linh hoạt hơn, có thể thích ứng với nhiều loại khung máy khác nhau và có thể kết hợp tốt hơn với địa điểm.
Theo nghiên cứu và đánh giá của “EMF”, công nghệ CTC là phương tiện sử dụng năng lượng mới vào năm 2022, đồng thời nó cũng là một ngã ba đường.
Việc tích hợp ắc quy vào thân xe có thể khiến việc bảo dưỡng xe trở nên vô cùng phức tạp và khó có thể thay thế ắc quy một cách độc lập.Giá dịch vụ sau bán hàng sẽ tăng lên và những chi phí này sẽ được chuyển trực tiếp sang người tiêu dùng, chẳng hạn như chi phí bảo hiểm.Mặc dù Musk tuyên bố rằng họ đã thiết kế các đường ray sửa chữa có thể cắt và thay thế nhưng sẽ phải mất thời gian để xem nó hoạt động tốt như thế nào.
Nhiều hãng xe đã đề xuất giải pháp kỹ thuật CTC của riêng mình, bởi nó không chỉ sắp xếp lại pin mà còn cần thay đổi cấu trúc thân xe.Điều này liên quan đến sự phân công lại lao động trong chuỗi cung ứng của các ngành liên quan.
CTC chỉ là một con đường kỹ thuật.Nó là một thân pin tích hợp, tháo rời không thay đổi.Ngoài ra còn có một công nghệ khác – hoán đổi pin.Công nghệ hoán đổi pin rất dễ tháo lắp nhưng pin lại góp phần rất lớn vào độ bền của pin.Làm thế nào để chọn được hai con đường này là một cuộc chơi giữa các nhà cung cấp pin và OEM.
Công nghệ CTC kết hợp với pin 4680
3. Đổi mới quy trình sản xuất pin, vật liệu cathode và anode
Tesla sẽ sử dụng quy trình điện cực pin khô, thay vì sử dụng dung môi, một lượng nhỏ (khoảng 5-8%) chất kết dính PTFE dạng bột mịn được trộn với bột điện cực dương/âm, đưa qua máy đùn để tạo thành một dải mỏng vật liệu điện cực, sau đó Một dải vật liệu điện cực được ép vào bộ thu dòng lá kim loại để tạo thành điện cực hoàn thiện.
Pin được sản xuất theo cách này thân thiện với môi trường hơn.Và quá trình này sẽ làm tăng mật độ năng lượng của pin và giảm mức tiêu thụ năng lượng trong sản xuất lên 10 lần.Công nghệ điện cực khô có thể sẽ trở thành chuẩn mực công nghệ cho thế hệ tiếp theo.
Công nghệ điện cực khô pin Tesla 4680
Về vật liệu làm cực âm, Tesla cho biết họ cũng sẽ loại bỏ nguyên tố coban ở cực âm.Cobalt đắt và khan hiếm.Nó chỉ có thể được khai thác ở rất ít quốc gia trên thế giới hoặc ở các quốc gia châu Phi bất ổn như Congo.Nếu pin thực sự có thể loại bỏ thành phần coban thì có thể nói đây là một cải tiến công nghệ lớn.
coban
Về vật liệu làm cực dương, Tesla sẽ bắt đầu với vật liệu silicon và sử dụng nhiều silicon hơn để thay thế cho than chì đang được sử dụng hiện nay.Dung lượng riêng theo lý thuyết của điện cực âm gốc silicon cao tới 4200mAh/g, cao gấp 10 lần so với điện cực âm than chì.Tuy nhiên, các điện cực âm dựa trên silicon cũng có những vấn đề như dễ giãn nở thể tích silicon, độ dẫn điện kém và tổn thất điện tích-phóng điện ban đầu lớn.
Do đó, việc cải thiện hiệu suất của vật liệu thực sự là để tìm ra sự cân bằng giữa mật độ năng lượng và độ ổn định, và các sản phẩm cực dương dựa trên silicon hiện nay được pha tạp silicon và than chì để sử dụng tổng hợp.
Tesla có kế hoạch thay đổi căn bản tính dẻo của bề mặt silicon để làm cho nó ít bị vỡ hơn, một công nghệ không chỉ cho phép pin sạc nhanh hơn mà còn tăng tuổi thọ pin lên 20%.Tesla đặt tên cho vật liệu mới là “Tesla Silicon” và giá thành là 1,2 USD/KWh, chỉ bằng 1/10 quy trình silicon có cấu trúc hiện có.
Cực dương làm từ silicon được coi là vật liệu cực dương của pin lithium thế hệ tiếp theo.
Một số mẫu trên thị trường đã bắt đầu sử dụng vật liệu làm cực dương gốc silicon.Các mẫu như Tesla Model 3 đã tích hợp một lượng nhỏ silicon vào điện cực âm.Mới đây mẫu GAC AION LX Plus đã được ra mắt. Phiên bản Qianli được trang bị công nghệ pin chip anode silicon xốp, có thể đạt được tuổi thọ pin 1.000 km.
anode silicon pin 4680
Tóm lại ưu điểm của công nghệ pin 4680 là nó có thể cải thiện hiệu suất đồng thời giảm chi phí.
3. Tác động sâu rộng của pin 4680
Pin 4680 không phải là một cuộc cách mạng công nghệ mang tính đột phá, không phải là một bước đột phá về mật độ năng lượng mà là một sự đổi mới trong công nghệ xử lý.
Tuy nhiên, dưới sự thúc đẩy của Tesla, đối với mô hình hiện tại của thị trường năng lượng mới, việc sản xuất pin 4680 sẽ thay đổi mô hình pin hiện có.Ngành công nghiệp chắc chắn sẽ tạo ra một làn sóng pin hình trụ dung lượng lớn.
Theo báo cáo, Panasonic có kế hoạch bắt đầu sản xuất hàng loạt 4680 viên pin dung lượng lớn cho Tesla vào đầu năm 2023.Khoản đầu tư mới sẽ lên tới 80 tỷ yên (khoảng 704 triệu USD).Samsung SDI và LG Energy cũng đã tham gia phát triển pin 4680.
Trong nước, Yiwei Lithium Energy thông báo rằng công ty con Yiwei Power có kế hoạch xây dựng dây chuyền sản xuất pin hình trụ lớn 20GWh cho xe chở khách tại Khu công nghệ cao Jingmen. BAK Battery và Honeycomb Energy cũng sẽ tham gia vào lĩnh vực pin hình trụ lớn. BMW và CATL cũng đang tích cực triển khai pin hình trụ lớn và mô hình cơ bản đã được xác định.
Bố cục pin hình trụ của nhà sản xuất pin
Thứ tư, sức điện động có điều muốn nói
Sự đổi mới về cấu trúc của pin hình trụ lớn chắc chắn sẽ thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp pin điện. Nó không đơn giản chỉ là nâng cấp từ pin thứ 5 lên pin thứ nhất. Cơ thể béo của nó có những câu hỏi lớn.
Chi phí của pin chiếm gần 40% giá thành của toàn bộ chiếc xe. Tầm quan trọng của pin như “trái tim” là điều hiển nhiên.Tuy nhiên, với sự phổ biến của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, nhu cầu về pin ngày càng tăng và giá vật liệu ngày càng tăng. Sự đổi mới của pin đã trở thành một con đường quan trọng để các công ty ô tô phát triển.
Với sự phát triển của các công nghệ liên quan đến pin, xe điện giá cả phải chăng sắp ra đời!
Thời gian đăng: 13-06-2022