Hồi đầu tháng 7, đội ngũ của Munro & Associates, một công ty chuyên cung cấp các giải pháp kỹ thuật và công nghệ nổi tiếng của Mỹ, đã bắt đầu tiến hành tháo lắp hệ thống pin 4680 được sử dụng trên mẫu xe điện Tesla Model Y. Đây là công nghệ pin được xem là hiện đại nhất của Tesla, với các ưu điểm nổi trội như khả năng sạc siêu nhanh, ít vấn đề về nhiệt và giá thành thấp.
Pin 4680 là bước đột phá của xe điện Tesla.
Trước đó vào tháng 9 năm 2020, Tesla đã ra mắt mẫu pin hình trụ 4680 mang tính đột phá này. Hãng xe điện khi đó cho biết so với pin 2170 truyền thống, mẫu pin 4680 có kích thước lớn hơn (đường kính 46mm và chiều cao 80mm), và sử dụng công nghệ điện cực mới không có “tab”nối hai cực của pin. Thiết kế này giúp tăng mật độ năng lượng lên gấp 5 lần, sức mạnh gấp 6 lần, tuổi thọ kéo dài thêm 16%, trong khi chi phí sản xuất lại giảm 14%.
Mãi tới tháng 4 năm nay, những chiếc Tesla Model Y đầu tiên được trang bị bộ pin 4680 đã được giao tới tay khách hàng. Đó là lý do cấu trúc của bộ pin 4680 vẫn còn khá bí ẩn và thôi thúc các nhà nghiên cứu mổ xẻ công nghệ này.
Cựu kỹ sư Sandy Munro và đồng nghiệp.
Trưởng nhóm nghiên cứu là Sandy Munro, một cựu kỹ sư của hãng Ford. Vào năm 2018, ông và các đồng nghiệp đã tự bỏ tiền mua và tháo rời hai chiếc Tesla Model 3, sau đó đưa ra rất nhiều lời khuyên cho Musk về thiết kế phần thân của dòng xe này. Tính tới hiện tại, đội ngũ này đã tháo dỡ hàng trăm chiếc xe của đủ các hãng như Audi, BMW, Chevrolet, Jaguar, Nissan. Riêng Tesla được ưu ái trọn bộ với các mẫu Model S, Model 3 và Model Y (phiên bản pin 2170).
Ban đầu, nhóm nghiên cứu cho rằng đây sẽ là một công việc đơn giản và nhàm chán. Nhưng thực tế đã chứng minh ngược lại, khi họ gặp phải vô số những khó khăn không mong muốn và công việc tiến triển vô cùng chậm chạp.
Và khi bộ pin 4680 hoàn chỉnh được tháo rời, Sandy Munro đã phả tuyên bố rằng cấu trúc của bộ pin 4680 là “chưa từng có”. Thậm chí so với bộ pin 2170 trước đây của Tesla trên các dòng xe Model Y và Model 3, ông nói rằng "nó không giống như nó được sản xuất bởi cùng một công ty."
Tài xế gần như ngồi trên bộ pin 4680.
Bước đầu tiên của dự án tháo gỡ này là tách bộ pin 4680 khỏi thân Model Y. Và họ sớm phát hiện ra rằng bộ pin và ghế được tích hợp khăng khít với nhau đến mức chủ xe gần như đang ngồi trên một dải pin. Toàn bộ các bộ phận như ghế và tay vịn trung tâm được lắp trực tiếp vào nắp trên của khung pin, và chỉ có một số thanh dầm nối giữa ghế và hộp pin.
Bộ pin được kết nối với phần thân xe thông qua 38 bu lông cố định. Bằng cách tháo các bu lông cố định này và ngắt kết nối dây, toàn bộ hệ thống pin, ghế chính phía trước và ghế hành khách, hộp tỳ tay trung tâm và các bộ phận khác có thể được tháo rời hoàn toàn khỏi khung xe.
Theo tính toán, toàn bộ trọng lượng của gói pin 4680 trên Tesla Model Y không đến 500kg. Và nếu xét tới tổng năng lượng của bộ pin là khoảng 80kwh, tỷ lệ giữa trọng lượng và năng lượng này là rất đáng kinh ngạc.
Lớp keo polyurethane phủ đầy bộ pin 4680.
Tưởng chừng “đầu xuôi đuôi lọt, nhưng sau đó họ phát hiện mình đã gặp rắc rối lớn. Bởi sau đó là trọn vẹn hai tuần chỉ để tháo nắp của bộ pin 4680. Bởi hóa ra, toàn bộ các tế bào pin và các thành phần quan trọng khác của hệ thống đã bị “nuốt chửng” bởi một lớp bọt màu hồng cứng chắc.
Phần bọt hồng này thực chất là keo polyurethane, được sử dụng để cố định các tế bào pin và thành phần bên trong. Và Tesla đã sử dụng một lượng keo lớn đến mức nó không chỉ lấp đầy trên bề mặt mà còn lấp đầy hoàn toàn không gian bên trong của từng khối pin.
“Việc tháo pin cũng giống như khảo cổ học”, một thành viên trong nhóm cho biết.
Theo báo cáo, lớp keo này chủ yếu đóng hai vai trò. Một là chống sốc từ lực va đập, bởi keo sẽ kết nối tất cả các tế bào pin và thành phần đi kèm thành một tổng thể, cùng chịu lực với nhau. Đồng thời keo có tính đàn hồi, có thể hấp thụ năng lượng tác động. Vai trò thứ hai là cố định các tế bào pin. Vì pin 4680 có hình trụ nên có nhiều khoảng trống giữa các viên pin. Lớp keo có thể lấp đầy những khoảng trống này và giúp vị trí của tế bào pin bị lỏng lẻo hay xô lệch. Tuy nhiên, những lớp keo màu hồng này có độ nhớt và kết dính cao nên việc tháo rời chúng ra khá tốn công sức. Nhóm nghiên cứu sau đó phải nghĩ đến việc sử dụng đá khô để loại bỏ lớp keo này.
Máy thổi đá khô được đưa vào quá trình bóc tách keo.
Sau một tuần dùng máy thổi đá khô, Sandy và nhóm của ông mới bóc được lớp polyurethane ra và lần đầu tiên nhìn thấy sự sắp xếp của các tế bào pin.
Phần trên cùng của bộ pin là một tấm che bằng một lớp vật liệu nylon dẻo có cấu trúc dạng tổ ong, và các dây điện và cảm biến nhiệt độ được tích hợp ngay trên đó.
Lớp dưới là một dải dẫn điện kết nối các tế bào pin theo hình thức nối tiếp và song song. Trong khi bộ pin 2170 sử dụng công nghệ hàn liên kết dây nhôm, thì bộ pin 4680 sử dụng phương pháp hàn laser, điều này giúp loại bỏ vấn đề dải dẫn điện có thể bị hỏng do va đập hoặc bị hàn sót.
Các lớp keo kết nội toàn bộ tế bào pin thành một khối.
Công nghệ mới của Tesla cũng thay đổi cách kết nối các tế bào pin với nhau.
9 tế bào pin được nối song song thành một nhóm, các cực dương của mỗi nhóm đều được nối với nhau, rồi tổng hợp lại thành cực âm của nhóm tế bào pin tiếp theo. Bằng cách loại bỏ các liên kết dây nhỏ được sử dụng trong các gói pin 2170, điện trở bên trong của pin 4680 được cải thiện, cho phép dòng điện cao hơn chảy theo cả hai hướng mà không gây tích tụ nhiệt.
Hãy chú ý đến các miếng đồng nhỏ trên các khớp hàn này, theo báo cáo, đây là khớp hàn VSH (dây cảm biến điện áp), kết nối các 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 bao gồm tổng cộng 828 ô, được chia thành bốn khu vực bằng ba dải phân cách, được làm bằng nhựa phenolic hoặc polyethylene mật độ cao. Theo lời giới thiệu trước đây của Tesla, bộ pin 4680 đã hủy bỏ hoàn toàn mô-đun kết nối truyền thống, nhưng trên thực tế thì Tesla chỉ hủy bỏ phân vùng kết nối vật lý.
Về khả năng tản nhiệt, bộ pin 4680 sử dụng tấm làm mát serpentine. Tấm làm mát đi qua khe giữa hai hàng pin và được gắn vào bề mặt hình trụ của các nhóm pin ở hai bên. 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. Nhưng 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 rất tốt.
Hệ thống tản nhiệt cho bộ pin cũng được nâng cấp.
Tiếp đó, trước sự ngạc nhiên của các thành viên trong nhóm nghiên cứu, phần đáy của hệ thống pin không được cố định 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. Trên thực tế, các thành viên trong nhóm đã mong đợi trông thấy nhiều kết nối cấu trúc hơn ở phần dưới cùng của bộ pin, bao gồm cả tấm làm mát bằng nước, nhưng trên thực tế chỉ có một đường thoát khí.
"Nếu có vấn đề quá tải, mọi thứ sẽ sụp đổ từ bên dưới”, Cory Steuben, thành viên trong nhóm chia sẻ.
Mạch quản lý pin BMS của Tesla.
Còn ở một mặt của bộ pin, nhóm nghiên cứu 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 Tesla Model Y và Model S trước đây, 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.
Cách thiết kế mới khiến cơ hội sửa chữa khi có hỏng hóc gần như bằng 0.
Sau khi tháo dỡ toàn bộ bộ pin 4680, một câu hỏi được đặt ra là 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. Bởi vì việc bảo trì sẽ bao gồm 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 toàn bộ bộ pin cũng đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định của quy trình và hiệu quả sản xuất của các nhà sản xuất pin. Điều này có thể giải thích việc tại sao bộ pin 4680 không được sản xuất hàng loạt dù đã công bố từ tháng 9 năm 2020. Hiện tại chúng vẫn đang được sản xuất theo lô nhỏ bởi nhà máy của Tesla ở California và Austin, bang Texas. Trong khi đó, LG và Panasonic cho biết sẽ phải đến năm sau họ mới có thể sản xuất chúng hàng loạt.
Câu hỏi cuối cùng: Liệu bộ pin 4680 có thể được tái chế không?
Theo Sandy, mặc dù Tesla dường như không có khả năng sửa chữa bộ pin 4680, nhưng điều này không ảnh hưởng đến việc tái chế nó. Bản thân Elon Musk sau đó cũng đã xác nhận vấn đề này.
Ý tưởng của Sandy là ném toàn bộ hệ thống pin trực tiếp vào nitơ lỏng ở độ không tuyệt đối. Các tế bào pin sẽ đóng băng và sau đó đưa chúng vào máy xay để nghiền nát thành những mảnh rất mịn. Lúc này, các chất có mật độ khác nhau sẽ tách riêng thành từng phần ở trong hỗn hợp chất lỏng. 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