Nhiều bí ẩn được hé lộ sau khi "tháo rời" bộ pin mới nhất nhà Tesla

Đầu tháng 7/ 2022, đội ngũ của Munro & Associates - một công ty chuyên cung cấp các giải pháp kỹ thuật và công nghệ nổi tiếng ở Mỹ đã tiến hành tháo lắp hệ thống pin 4680. Đây là hệ thống pin hiện đại nhất được sử dụng trên mẫu xe điện Model Y được biết đến với các ưu điểm nổi trội như: khả năng sạc siêu nhanh, ít vấn đề về nhiệt và giá thành thấp.

Vào tháng 9/ 2020, Tesla đã ra mắt mẫu pin hình trụ 4680 mang tính đột phá trong công nghệ chế tạo pin. Nhà sản xuất xe điện Tesla cho biết, so với dòng pin 2170 truyền thống mẫu pin 4680 có kích thước lớn hơn và sử dụng công nghệ điện cực mới không "tab" để nối 2 cực của pin. Nhờ vậy mà hệ thống pin tăng mật độ năng lượng lên gấp 5 lần, sức mạnh gấp 6 lần, tuổi thọ kéo dài thêm 16%. Đặc biệt hơn cả, chi phí sản xuất dòng pin này giảm tới 14%.

4680 vẫn còn khá bí ẩn và thôi thúc các nhà nghiên cứu mổ xẻ công nghệ này. Mãi đến tháng 4/2022, những chiếc Tesla Model Y đầu tiên được trang bị bộ pin 4680 đã được giao đến tay khách hàng. Ông chủ của nhóm nghiên cứu sẳn sàng bỏ tiền mua nguyên 1 chiếc xe để nghiên cứu.

Trong quá khứ, ông Sandy Munro - trưởng nhóm nghiên cứu và các đồng nghiệp đã tự bỏ tiền mua và tháo rời hai chiếc Tesla Model 3 và đưa ra nhiều lời khuyên cho Musk về thiết kế phần thân của dòng xe này.

Tính đến thời điểm 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 (bản pin 2170).

Ban đầu, nhóm nghiên cứu đã nghĩ rằng đây là một việc làm nhám chán và không có hứng thú. Tuy nhiên, thực tế đã khiến cho nhóm nghiên cứu của ông đi từ bất ngờ này đến bất ngờ khác.

Khi bộ pin 4680 được tháo rời, Sandy Munro đã phải tuyên bố rằng cấu trúc của bộ pin 4680 là chưa từng có. Thậm chí so với bộ pin 2170 trước đây của Tesla cũng khác biệt hoàn toàn.

Bước đầu tiên của dự án là tách bộ pin 4680 khỏi thân Model Y. Điều ngạc nhiên nhất mà họ phát hiện ra rằng bộ pin và ghế được liên kết khá "khăng khít" với nhau đến mức chủ xe gần như đang ngồi trên một dải pin.

Toàn bộ các bộ phận như ghế, tay vịn được lắp trực tiếp vào nắp trên của khung pin. Bên cạnh đó là một số thanh dầm nối giữa ghế và hộp pin nhằm tăng thêm sự liên kết.

Bộ pin được kết nối với 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 500 kg. Và nếu xét tới tổng năng lượng của bộ pin khoảng 80 kWh thì tỷ lệ giữa trọng lượng/ năng lượng là rất kinh ngạc.

 Tiến vào sâu hơn, 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. Dòng keo này được sử dụng để cố định các tế bào pin và các thành phần bên trong.

Tesla đã sử dụng một lượng keo lớn đến mức không chỉ lấp đầy trên bề mặt mà còn lấp đầy hoàn toàn không gian bên trong của từng khối pin. Một thành viên trong nhóm cho biết: "Việc tháo pin cũng như đang nghiên cứu khảo cổ học vậy."

Theo báo cáo, lớp pin này đóng 2 vai trò.

• Chống xóc từ lực va đập. Keo là yếu tố kết nối tất cả các tế bào pin thành một tổng thể và cùng chịu lực với nhau.
• Cố định các tế bào pin. Vì pin 4680 có hình trụ nên khoảng trống giữa tất cả các viên pin là rất lớn. Lớp keo có thể lấp đầy những khoảng trống và giúp vị trí của pin không bị lỏng lẻo hay xô lệch.

Tuy nói rất dễ dàng nhưng để tháo rời toàn bộ lớp keo ra khỏi bộ pin đã tốn rất nhiều công sức. Các kỹ sư ở đây mất cả 1 tuần để sử dụng máy thổi đá khô để có thể tách hoàn toàn lớp keo này.

Phần trên cùng của bộ pin là một tấm che bằng vật liệu nylon dẻo có cấu trúc dạng tổ ong. Các dây điện và cảm biến nhiệt độ cũng được tích hợp ngay trên đó.

Phía dưới là một lớp dải dẫn điện kết nối các tế bào pin theo hình thức nối tiếp và song song. Nếu như ở bộ pin 2170 trên Model Y trước đó sử dụng công nghệ hàn liên kết dây nhôm thì bộ pin 4680 lại sử dụng phương pháp hàn laser. Điều này giúp loại bỏ vấn đề dải dẫn điện bị hỏng do va đập hoặc hàn sót.

9 tế bào pin được liên kết song song với nhau tạo thành 1 nhóm. Các cực dương của mỗi nhóm đều được nối với nhau, tổng hợp lại rồi liên kết với 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.

Cuối cùng là những miếng đồng nhỏ nằm trên các khớp hàn. 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 riêng biệt

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. 

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 hai bên. Ngoài ra, có các ống nhỏ để chất lỏng chảy qua tấm làm mát, tương tự như sơ đồ mạch làm mát của Model S.

Càng ngạc nhiên hơn, phần đáy của hệ thống pin không được cố định trực tiếp vào khung xe mà lại 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 sẽ thấy nhiều kết nối cấu trúc hơn ở phần dưới cùng của bộ pin, bao gồm cả tấm làm mát bằng nước. Tuy nhiên, tất cả ở phía dưới chỉ có một đường thoát khí.

Một thành viên trong nhóm chia sẻ: "Nếu có vấn đề quá tải, mọi thứ sẽ sụp đổ từ bên dưới."

Ở một mặt khác của bộ pin, nhóm nghiên cứu cho thấy 4 bảng mạch của hệ thống quản lý pin BMS được niêm phong và bảo vệ bằng các miếng nhựa polypropylene.

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 được xem là khá bất thường. Có lẽ việc sử dụng nhiều ốc vít dễ tạo ra các lỗi trong quá trình lắp ráp. Vì vậy, Tesla đang cố gắng loại bỏ yếu điểm này.

Ngoài ra, 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 rằng. Với kết cấu như thế này, liệu có khả thi việc sửa chữa chúng hay không?

Theo Corey Steuben, khả năng sửa chữa bộ pin được áp dụng công nghệ tích hợp vào thân xe 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, kiểm tra khả năng chống thấm rồi niêm phong. Điều này gần như không hiệu quả về mặt chi phí.

Bên cạnh đó, cấu trúc của toàn bộ bộ pin cũng 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 năm 2020.

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.