Hai tuần lể là khoảng thời gian cần thiết chỉ để tháo nắp bộ pin 4680 của Tesla, nhưng đó cũng là thời khắc mà những bí mật che giấu bên dưới được tiết lộ ra.
Hồi đầu tháng 7 vừa qua, đội ngũ của
Munro & Associates, một công ty chuyên cung cấp các giải pháp kỹ thuật và kỹ nghệ nổi tiếng của Mỹ, đă bắt đầu tiến hành tháo nắp hệ thống
pin 4680 được sử dụng trên mẫu xe điện
Tesla Model Y. Đây là kỹ thuật chế tạo pin được xem là tối tân nhất của Tesla, với các ưu điểm nổi trội như khả năng sạc điện siêu nhanh, ít xảy ra vấn đề về nhiệt độ và giá thành thấp.
Pin 4680 là bước đột phá của xe điện Tesla.
Trước đó vào tháng 9 năm 2020, Tesla đă cho ra mắt mẫu
pin h́nh trụ 4680 mang tính đột phá này. Hăng xe điện khi đó cho biết so với loại
pin 2170 truyền thống, mẫu mă
pin 4680 có kích thước lớn hơn (đường kính 46 mm và chiều cao 80 mm), và sử dụng kỹ thuật điện cực mới không có
"tab" nối hai cực của pin. Thiết kế này sẽ 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 đến 14%.
Măi cho đến tháng 4 năm nay, những chiếc Tesla Model Y đầu tiên được trang bị bộ
pin 4680 đă được giao tận tay khách hàng. Đó là lư do cấu trúc của bộ
pin 4680 vẫn c̣n khá bí ẩn và thôi thúc các chuyên gia nghiên cứu mổ xẻ về kỹ thuật mới mẽ này.
Cựu kỹ sư Sandy Munro và đồng nghiệp.
Trưởng nhóm nghiên cứu là ông Sandy Munro, một cựu kỹ sư của hăng xe
Ford. Vào năm 2018, ông và các đồng nghiệp đă tự bỏ tiền để 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 ḍng xe này. Tính cho đến nay, đội ngũ này đă tháo dỡ hàng trăm chiếc xe của đủ các hăng như
Audi, BMW, Chevrolet, Jaguar, Nissan. Riêng Tesla được ưu ái trọn bộ với các mẫu
Model S, Model 3 và
Model Y (với loại
pin 2170).
Ban đầu, nhóm nghiên cứu cho rằng đây sẽ là một công việc đơn giản và nhàm chán. Nhưng thực tế đă chứng minh ngược lại, khi họ gặp phải vô số những khó khăn không mong đội và công việc tiến triển rất chậm chạp.
Và khi bộ
pin 4680 hoàn chỉnh được tháo rời hoàn toàn, ông Sandy Munro đă phải lên tiếng tuyên bố rằng,
"cấu trúc của bộ pin 4680 là 'chưa từng thấy'". Thậm chí so với bộ
pin 2170 trước đây của Tesla trên các ḍng xe Model Y và Model 3, ông nói rằng, "
Nó không giống như được sản xuất bởi cùng một công ty".
Người 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 xe Model Y. Và họ đă sớm phát hiện ra rằng bộ pin và ghế được kết hợp khắng 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 ngồi và hộp pin.
Bộ pin được kết nối với phần thân xe thông qua 38 bù-loong cố định. Bằng cách tháo các bù-loong 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 ra khỏi khung xe.
Theo sự tính toán, toàn bộ trọng lượng của gói
pin 4680 trên Tesla Model Y không đến 500 kg. Và nếu xét tới tổng số năng lượng của bộ pin là khoảng 80 kwh, 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 ra ḿnh đă gặp rắc rối lớn. Bởi v́ sau đó là mất 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 đă bị "nuốt chửng" bởi một lớp bọt màu hồng cứng và chắc.
Phần bọt hồng này thực chất là loại keo
polyurethane, được sử dụng để cố định các tế bào pin và thành phần bên trong. Và Tesla đă sử dụng một số lượng keo lớn đến mức không chỉ lấp đầy trên bề mặt mà c̣n lấp đầy toàn bộ không gian bên trong của từng khối pin một.
"Việc tháo pin cũng giống như thực hiện công việc về khảo cổ học", một thành viên trong nhóm này cho biết.
Theo báo cáo, lớp keo này chủ yếu đóng 2 vai tṛ. Một là chống sốc từ lực va đập, bởi v́ lớp 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 này có tính đàn hồi cao, có thể hấp thụ năng lượng tác động. Vai tṛ thứ hai là cố định các tế bào pin. V́
pin 4680 có h́nh dáng trụ nên có nhiều khoảng trống giữa các viên pin. Lớp keo có thể lấp đầy những khoảng trống này và giúp cố định vị trí của tế bào pin không 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 tốn khá nhiều 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 tŕnh bóc tách lớp keo ra.
Sau một tuần dùng máy thổi đá khô, Sandy và nhóm của ông mới bóc được lớp
polyurethane ra và lần đầu tiên đă nh́n 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 kết hợp ngay trên đó.
Lớp dưới là một dải dẫn điện kết nối các tế bào pin theo h́nh thức nối tiếp và song song. Trong khi bộ
pin 2170 sử dụng kỹ thuật hàn liên kết dây nhôm, th́ bộ
pin 4680 lại sử dụng phương pháp hàn bằng laser, điều này giúp loại bỏ vấn đề dải dẫn điện có thể bị hỏng do bị va đập hoặc bị hàn c̣n thiếu sót.
Các lớp keo kết nội toàn bộ tế bào pin thành một khối.
Kỹ thuật 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 biến lại, cho phép ḍng điện cao hơn chảy theo cả hai hướng mà không gây sự tích tụ nhiệt độ quá cao.
Hăy chú ư 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 kiểm soát pin, đồng thời có thể theo dơi điện áp và nhiệt độ của từng tế bào pin.
(Minh họa)
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 với mật độ cao. Theo lời giới thiệu trước đây của Tesla, bộ
pin 4680 đă hủy bỏ hoàn toàn mô-đun kết nối truyền thống, nhưng trên thực tế th́ Tesla chỉ hủy bỏ phân vùng kết nối vật lư.
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 h́nh trụ của các nhóm pin ở hai bên. Có các ống nhỏ để cho 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 dăy đều có dải phân cách bằng chất liệu
polystyrene, có vai tṛ 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 đă thêm một lớp
mica giữa đáy hệ thống pin và đế tổ ong để giúp cách nhiệt. Trên thực tế, các thành viên trong nhóm đă mong đợi trông thấy nhiều cấu trúc kết nối hơn ở phần dưới cùng của bộ pin, bao gồm cả tấm làm mát bằng nước, nhưng trên thực tế chỉ có một đường để thoát khí.
"Nếu có vấn đề quá tải xảy ra, mọi thứ sẽ sụp đổ từ bên dưới", Cory Steuben, một thành viên trong nhóm có chia sẻ.
Mạch kiểm soát pin BMS của Tesla.
C̣n ở một mặt của bộ pin, nhóm nghiên cứu thấy có bốn bảng mạch của hệ thống kiểm soát pin
BMS, được niêm phong và bảo vệ bằng các miếng nhựa
polypropylene. Trên các ḍng
Tesla Model Y và
Model S trước đây,
BMS nằm ở dưới cùng của bộ pin.
Một điều thú vị khác là nhóm chuyên gia nghiên cứu chỉ t́m thấy có 16 ốc vít có ren nhỏ trong toàn bộ gói pin, và điều này là rất bất thường. Theo ông Sandy, việc sử dụng nhiều ốc vít dễ tạo ra các lỗi trong quá tŕnh lắp ráp, v́ vậy việc Tesla cố gắng loại bỏ điểm yếu này là một điều rất hay. Để giảm thiểu hơn nữa các lỗi trong việc lắp đặt pin, Tesla sử dụng các bộ phận được mă 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 bị
"mù màu".
Cách thiết kế pin mới khiến cho cơ hội sửa chữa khi bị hỏng hóc gần như bằng con số 0.
Sau khi tháo dỡ toàn bộ
pin 4680, một câu hỏi được đặt ra là liệu có thể sửa chữa được hay không?
Đáng tiếc rằng theo Corey Steuben, khả năng sửa chữa bộ pin được áp dụng kỹ thuật
"kết hợp vào thân xe" (Cell to Chassis) của Tesla gần như bằng con số 0. Bởi v́ việc bảo tŕ sẽ bao gồm các quy tŕnh phức tạp như bóc dán keo, trám lại và kiểm tra khả năng chống thấm rồi cuối cùng niêm phong, nên gần như không có hiệu quả về mặt chi phí.
Cấu trúc của toàn bộ pin cũng đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về mức độ ổn định của quy tŕnh và hiệu quả sản xuất của các công ty sản xuất pin. Điều này có thể giải thích việc mà tại sao bộ
pin 4680 không được sản xuất hàng loạt dù đă công bố từ tháng 9 năm 2020. Hiện tại loại pin này vẫn đang được sản xuất theo từng lô nhỏ ở nhà máy của Tesla ở California và Austin, tiểu bang Texas. Trong khi đó, LG và Panasonic cho biết sẽ phải đến năm sau họ mới có thể sản xuất loại pin sạc xe điện hàng loạt.
Câu hỏi cuối cùng:
Liệu bộ pin 4680 có thể được tái chế lại hay không?
Theo ông Sandy, mặc dù hăng Tesla dường như không có khả năng sửa chữa bộ
pin 4680, nhưng điều này không có ảnh hưởng đến việc tái chế lại nó. Elon Musk sau đó cũng đă xác nhận vấn đề này.
Ư tưởng của ông 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, YouTube
Games
