Mở rộng kiến thức về công nghệ pin Tesla: Những khám phá đáng kinh ngạc của Elon Musk

(Tổ Quốc) - Chỉ trong khoảng hai tuần, việc tháo nắp bộ pin 4680 của Tesla đã hé lộ nhiều bí mật thú vị đến bất ngờ.

Vào đầu tháng 7, Munro & Associates, một công ty nổi tiếng về giải pháp kỹ thuật và công nghệ ở Mỹ, đã bắt đầu tháo dỡ hệ thống pin 4680 trên Tesla Model Y. Đây được xem là bước tiến quan trọng trong công nghệ pin của Tesla, với nhiều ưu điểm như tốc độ sạc nhanh, ít vấn đề về nhiệt độ và giá thành thấp.

Vào tháng 9 năm 2020, Tesla đã giới thiệu mẫu pin 4680 mang tính đột phá này. So với pin 2170 truyền thống, pin 4680 có kích thước lớn hơn (đường kính 46mm, chiều cao 80mm) và không sử dụng 'tab' nối cực pin. Thiết kế này giúp tăng mật độ năng lượng lên gấp 5 lần, công suất gấp 6 lần và tuổi thọ tăng thêm 16%, đồng thời giảm chi phí sản xuất 14%.

Cho đến tháng 4 năm nay, các mẫu Tesla Model Y sử dụng pin 4680 đã được giao tới tay khách hàng. Sự bí ẩn về cấu trúc của pin 4680 vẫn khiến các nhà nghiên cứu tò mò và háo hức khám phá.

Sandy Munro, một cựu kỹ sư từ hãng Ford, đứng đầu nhóm nghiên cứu. Cùng đồng nghiệp, ông đã mua và tháo rời hai chiếc Tesla Model 3 vào năm 2018. Từ đó, họ đã trải qua hàng trăm chiếc xe từ nhiều hãng như Audi, BMW, Chevrolet, Jaguar, Nissan. Tesla, đặc biệt là Model S, Model 3 và Model Y (phiên bản pin 2170), là đối tượng nghiên cứu chính của họ.

Ban đầu, nhóm nghiên cứu nghĩ rằng công việc sẽ đơn giản và nhàm chán. Nhưng thực tế đã chứng minh rằng họ phải đối mặt với vô số khó khăn không ngờ và tiến độ công việc diễn ra cực kỳ chậm trễ.

Khi bộ pin 4680 cuối cùng được tháo rời, Sandy Munro tuyên bố cấu trúc của nó là “chưa từng có”. Ông cũng nhấn mạnh rằng so với bộ pin 2170 trên Model Y và Model 3 trước đây, bộ pin này 'không giống như được sản xuất bởi cùng một công ty.'

Khởi đầu của dự án tháo rời này là phân tách bộ pin 4680 ra khỏi xe Model Y. Nhóm sớm nhận ra rằng bộ pin và ghế được hòa trộn chặt chẽ với nhau, khiến cho người lái gần như ngồi trên một dải pin. Tất cả các thành phần như ghế và tay lái trung tâm được gắn trực tiếp vào nắp trên của khung pin, chỉ có một số thanh dầm nối giữa ghế và hộp pin.

Bộ pin kết nối với thân xe thông qua 38 bu lông cố định. Bằng cách tháo các bu lông và cắt dây kết nối, toàn bộ hệ thống pin, ghế trước, ghế phụ, hộp tay và các bộ phận khác có thể được gỡ ra khỏi khung xe.

Theo tính toán, trọng lượng của gói pin 4680 trên Tesla Model Y không quá 500kg. Với tổng năng lượng khoảng 80kWh, tỷ lệ trọng lượng và năng lượng này thực sự ấn tượng.

Ban đầu có vẻ như mọi thứ suôn sẻ, nhưng sau đó họ đã gặp phải một vấn đề lớn. Đã mất tới hai tuần chỉ để tháo nắp của bộ pin 4680. Vì bề mặt bên trong của mỗi tế bào pin và các thành phần quan trọng khác bị bao phủ hoàn toàn bởi lớp keo polyurethane màu hồng cứng.

Lớp keo polyurethane này được sử dụng để cố định các tế bào pin và thành phần bên trong. Tesla đã sử dụng một lượng keo lớn, không chỉ lấp đầy bề mặt mà còn lấp đầy không gian bên trong của mỗi khối pin.

'Việc tháo rời pin giống như việc khám phá di sản lịch sử', một thành viên trong nhóm nói.

Theo báo cáo, lớp keo này có hai chức năng chính. Một là chống sốc từ va chạm, vì keo kết nối tất cả các tế bào pin và các thành phần khác thành một thể thống nhất, chịu lực cùng nhau. Ngoài ra, keo có độ co dãn, có thể hấp thụ năng lượng từ va chạm. Chức năng thứ hai là giữ vững các tế bào pin. Do pin 4680 có hình trụ, có nhiều khoảng trống giữa các viên pin. Lớp keo có thể lấp đầy những khoảng trống này và giữ cho tế bào pin không bị lung lay hoặc lệch hướng. Tuy nhiên, lớp keo màu hồng này có độ nhớt và kết dính cao, làm cho việc tháo ra mất nhiều công sức. Nhóm nghiên cứu sau đó phải xem xét việc sử dụng đá khô để loại bỏ lớp keo này.

Sau một tuần sử dụng máy thổi đá khô, Sandy và nhóm của ông đã loại bỏ được lớp polyurethane và lần đầu tiên nhìn thấy cấu trúc của các tế bào pin.

Phần trên cùng của bộ pin được phủ bằng một tấm nylon linh hoạt với cấu trúc tổ ong, và các dây điện và cảm biến nhiệt được tích hợp trên đó.

Phần dưới cùng là một dải dây dẫn điện kết nối các tế bào pin theo cả hình thức nối tiếp và song song. Trong khi pin 2170 sử dụng công nghệ hàn liên kết dây nhôm, thì pin 4680 sử dụng phương pháp hàn laser, giúp khắc phục vấn đề dải dây dẫn điện có thể bị hỏng do va chạm hoặc lỗi hàn.

9 tế bào pin được nối song song thành một nhóm, cực dương của mỗi nhóm được kết nối với nhau, sau đó tổng hợp thành cực âm của nhóm tế bào pin tiếp theo. Bằng cách loại bỏ các liên kết dây nhỏ trong gói pin 2170, điện trở bên trong pin 4680 được cải thiện, cho phép dòng điện lớn hơn chảy theo cả hai hướng mà không gây nhiệt độ cao.

Chú ý đến các miếng đồng nhỏ trên các khớp hàn này, theo báo cáo, chúng là khớp hàn VSH (dây cảm biến điện áp), kết nối tế bào với bảng mạch quản lý pin, đồng thời có thể theo dõi điện áp và nhiệt độ của từng tế bào pin.

Toàn bộ bộ pin 4680 gồm tổng cộng 828 ô, được chia thành bốn khu vực bằng ba dải phân cách, làm từ nhựa phenolic hoặc polyethylene mật độ cao. Tesla đã tuyên bố rằng bộ pin 4680 đã loại bỏ hoàn toàn mô-đun kết nối truyền thống, nhưng thực tế chỉ hủy bỏ phân vùng kết nối vật lý.

Về khả năng tản nhiệt, bộ pin 4680 sử dụng tấm làm mát serpentine, đi qua khe giữa hai hàng pin và được gắn vào bề mặt hình trụ của các nhóm pin. Có các ống nhỏ để chất lỏng chảy qua tấm làm mát, tương tự như sơ đồ mạch làm mát của Model S Plaid và Model Y. Tuy nhiên, ở bộ pin 4680, với kích thước và trọng lượng của các nhóm pin lớn hơn, các đường tản nhiệt cũng dày hơn. Giữa mỗi dãy đều có dải phân cách bằng chất liệu polystyrene, có vai trò cách nhiệt tốt.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu ngạc nhiên khi phát hiện phần đáy của hệ thống pin không được gắn trực tiếp vào khung xe mà được nhúng vào các đế bằng nhựa ABS màu đen. Tesla cũng đã thêm một lớp mica giữa đáy hệ thống pin và đế tổ ong để cách nhiệt. Trái với dự đoán, nhóm mong đợi nhiều kết nối cấu trúc hơn ở phần dưới cùng của bộ pin, bao gồm tấm làm mát bằng nước, nhưng thực tế chỉ có một đường thoát khí.

'Nếu có vấn đề quá tải, mọi thứ sẽ sụp đổ từ bên dưới”, Cory Steuben, một thành viên trong nhóm chia sẻ.

Ở một mặt của bộ pin, nhóm nghiên cứu nhận thấy bốn bảng mạch của hệ thống quản lý pin BMS, được niêm phong và bảo vệ bằng các miếng nhựa polypropylene. Trên các dòng xe Tesla Model Y và Model S trước đó, BMS nằm ở dưới cùng của bộ pin.

Một điều thú vị khác là nhóm nghiên cứu chỉ tìm thấy 16 ốc vít có ren nhỏ trong toàn bộ gói pin, điều này rất bất thường. Theo Sandy, việc sử dụng nhiều ốc vít dễ tạo ra các lỗi trong quá trình lắp ráp, vì vậy việc Tesla cố gắng loại bỏ điểm yếu này là một điều vô cùng tốt. Để giảm thiểu hơn nữa các lỗi lắp đặt, Tesla sử dụng các bộ phận được mã hóa bằng màu sắc với các dấu hiệu riêng. Các màu sắc được sử dụng dường như có tính toán, để có thể dễ dàng phân biệt ngay cả với những người mù màu.

Sau khi tháo dỡ toàn bộ bộ pin 4680, một câu hỏi được đặt ra là liệu chúng có thể sửa chữa được không?

Đáng tiếc rằng theo Corey Steuben, khả năng sửa chữa bộ pin được áp dụng công nghệ tích hợp vào thân xe (Cell to Chassis) của Tesla gần như bằng 0. Vì việc bảo trì sẽ liên quan đến các quy trình phức tạp như bóc dán keo, trám lại và kiểm tra khả năng chống thấm rồi niêm phong, nên nó gần như không hiệu quả về mặt chi phí.

Cấu trúc của bộ pin 4680 đặt ra các yêu cầu khắt khe về ổn định quy trình sản xuất, giải thích tại sao chúng chưa được sản xuất hàng loạt mặc dù đã được công bố từ tháng 9 năm 2020. Hiện tại, chúng vẫn đang được sản xuất theo lô nhỏ tại nhà máy của Tesla ở California và Austin, bang Texas. Trong khi đó, LG và Panasonic cho biết họ sẽ cần đến năm sau mới có thể sản xuất chúng hàng loạt.

Câu hỏi cuối cùng: Liệu bộ pin 4680 có thể tái chế được không?

Theo Sandy, mặc dù Tesla có vẻ không thể sửa chữa bộ pin 4680, điều này không ảnh hưởng đến khả năng tái chế của nó. Elon Musk cũng đã xác nhận điều này sau đó.

Sandy đề xuất việc đưa toàn bộ hệ thống pin vào nitơ lỏng ở độ lạnh tuyệt đối. Các tế bào pin sẽ đóng băng, sau đó được nghiền nát thành những mảnh nhỏ. Từ đó, việc tái chế tất cả vật liệu trong bộ pin sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.

Tham khảo AutoEvolution, Sina, YouTube