Công nghệ pin mới: “Viên đạn bạc” của Tesla

Bước ngoặt

Ngay cả những gã khổng lồ công nghệ lớn nhất đôi khi cũng có thể mắc lỗi. Sau một thập kỷ cố gắng sản xuất ô tô, Apple đã từ bỏ dự án, khiến cả thế giới phải thở dài. Tương tự như vậy, Tesla, nhà sản xuất ô tô có giá trị nhất thế giới, đã phải đối mặt với những thách thức với một dự án đồ sộ: pin hình trụ 4680.

Kể từ khi thành lập vào năm 2019, Tesla đã đầu tư 3 USD vào dự án trong năm năm, đánh dấu đây là khoản đầu tư lớn hiếm hoi của công ty. Tuy nhiên, pin vẫn chưa được sản xuất hàng loạt. Là thành phần quan trọng nhất của xe điện, Tesla hy vọng việc phát triển và ứng dụng pin 4680 sẽ giúp pin này trở nên khác biệt trong ngành. Rõ ràng, tham vọng này đã không thành hiện thực.

Trong kế hoạch sa thải toàn diện của Elon Musk, dự án pin 4680 đã trở thành một nạn nhân lớn, với số lượng nhân viên giảm từ 1.600 xuống chỉ còn 1.000. Thậm chí còn có tin đồn Tesla từ bỏ công nghệ này, báo hiệu sự diệt vong sắp xảy ra.

Tuy nhiên, không giống như dự án ô tô của Apple, pin hình trụ lớn 4680 của Tesla đã tìm thấy bước ngoặt. Một số kỹ sư thân cận với Tesla đã nói rằng nhiệm vụ mới nhất của nhóm nghiên cứu pin Tesla là sản xuất hàng loạt pin 4680 vào cuối năm nay. "Đã có những ô pin được lắp vào ô tô để thử nghiệm, sau đó sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt tại các nhà máy ở Mỹ và Châu Âu".

Chi phí pin đã trở thành rào cản chính đối với lợi nhuận của các nhà sản xuất ô tô điện. Pin 4680 của Tesla được coi là một bước ngoặt, có khả năng cho phép các nhà sản xuất ô tô kiểm soát nhiều hơn đối với hoạt động sản xuất của họ. Theo chân Tesla, các nhà sản xuất pin khác đang định vị chiến lược cho mình. Có thời điểm, Nio đặt mục tiêu sản xuất 40 gigawatt-giờ.

Tuy nhiên, nhiều công ty đã thu hẹp nỗ lực của mình. Một mặt, cuộc chiến giá cả đang diễn ra trên thị trường ô tô đã làm giảm nhiệt tình đầu tư vào công nghệ mới. Trong bối cảnh đầy thách thức này, bước đột phá thầm lặng của Tesla nổi bật như một ngọn hải đăng của hy vọng.

Công nghệ xử lý điện cực khô của Tesla không chỉ có thể được sử dụng trong 4680 mà còn là phương pháp sản xuất tối ưu cho pin thể rắn trong tương lai. Công nghệ này có thể rút ngắn toàn bộ dây chuyền sản xuất khoảng 100 mét, gần bằng chiều dài của một sân bóng đá.

Theo Tesla, sử dụng phương pháp này có thể giảm chi phí hơn 18% và đầu tư thiết bị 41% so với quy trình điện cực ướt. Những người trong ngành nói rằng việc sản xuất cả cực dương và cực âm bằng phương pháp xử lý khô có thể tiết kiệm 0,2–0,3 USD cho mỗi watt-giờ chi phí của cell pin.

Điều này có nghĩa là gì? Giá thấp nhất hiện tại cho một cell pin lithium sắt phosphate (LFP) là 0,32 nhân dân tệ (0,044 USD) cho mỗi watt-giờ, với chi phí danh mục vật liệu (BOM) và sản xuất, bao gồm cả nhân công, tổng cộng là 0,28–0,3 nhân dân tệ (0,039–0,041 USD). Khoản tiết kiệm từ phương pháp của Tesla chiếm phần lớn biên lợi nhuận cho các nhà sản xuất pin hạng hai.

Trung Quốc có chuỗi cung ứng pin điện toàn diện và tiên tiến nhất thế giới. Tuy nhiên, các công ty pin Trung Quốc hiện đang bị áp lực giảm chi phí, không nhận ra được vị thế dẫn đầu của Tesla trong lĩnh vực pin hình trụ lớn.

Pin điện cực khô

Năm 2019, Tesla đã công bố việc mua lại công ty khởi nghiệp Maxwell Technologies của Mỹ với giá 218 triệu USD, cao hơn 55%. Vấn đề ở chỗ Maxwell nắm giữ công nghệ cốt lõi được cấp bằng sáng chế: điện cực khô.

Musk đã nhìn thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này và áp dụng vào sản xuất điện cực pin 4680.

Quy trình ướt truyền thống bao gồm việc trộn vật liệu bột cho cực dương và cực âm với dung môi độc hại để tạo thành bùn nhão, sau đó được phủ lên lá kim loại và nung trong lò nướng 100 mét để loại bỏ độ ẩm, tạo thành tấm điện cực. Tuy nhiên, quy trình khô của Tesla trộn bột cực dương và cực âm với chất kết dính đặc biệt và nén trực tiếp chúng lên lá kim loại, loại bỏ độ ẩm và nhu cầu nung.

Bước quan trọng đầu tiên trong quá trình sản xuất điện cực khô là trộn đều các vật liệu bột, một nhiệm vụ đầy thách thức.

Một kỹ sư thân cận với Tesla đã nói nếu bạn làm một xô bột, kết quả từ lần đầu tiên và lần cuối cùng có thể hoàn toàn khác nhau. Các phép đo cũng thay đổi đáng kể nếu bột để trong hai giờ so với tám giờ. Nếu hỗn hợp không đồng đều, các tấm điện cực thu được gần như không sử dụng được.

Bước đầy thách thức hơn là quá trình cán. Các quy trình truyền thống sử dụng con lăn để nén các tấm điện cực khô, đảm bảo hiệu suất của pin. Tesla đã chọn sử dụng vật liệu than chì cho cực dương, mềm hơn và dễ nén hơn, nhanh chóng đạt được sản xuất hàng loạt. Nhưng cực âm sử dụng các kim loại cứng như niken và coban, tương tự như nén sỏi mịn thành một tấm gương nhẵn, tạo ra dấu hiệu thách thức lớn. Quy trình catốt khô vẫn là rào cản lớn nhất đối với việc sản xuất hàng loạt pin 4680.

Một kỹ sư cho biết quy trình cán catốt, nếu không được thực hiện cẩn thận, có thể làm hỏng thiết bị. "Mỗi lần sửa chữa mất 45 ngày, làm chậm trễ vô thời hạn việc sản xuất hàng loạt".

Ban đầu, Musk đặt mục tiêu sản xuất hàng loạt pin 4680 vào năm 2021, với mục tiêu công suất là 100 GWh vào năm 2022, một mục tiêu quá lạc quan. May mắn thay, thông qua nỗ lực của các kỹ sư, bước đột phá về công nghệ catốt khô đã đạt được vào cuối năm 2022.

Đến cuối năm 2022, Tesla dường như đã sản xuất thành công số lượng lớn các tấm catốt khô. Tuy nhiên, công ty đã gặp phải sự cố trong quá trình quấn các tấm này thành các ô pin, cụ thể là tốc độ quấn cao khiến các tấm bị vỡ. Cuối cùng, công ty đã dành phần lớn năm 2023 để tập trung giải quyết các vấn đề trong quá trình sản xuất tấm điện cực – một quy trình từng được cho là "vấn đề gần như không thể giải quyết được".

Vào tháng 4 năm nay, Drew Baglino, phó chủ tịch cấp cao của Tesla, đã tuyên bố từ chức. Baglino là nhân vật chủ chốt trong dự án 4680 và sau khi ông rời đi, lộ trình quy trình pin khô đã được điều chỉnh.

"Chúng tôi vẫn đang sử dụng cuộn được sản xuất vào cuối năm 2022 và tối ưu hóa quy trình quấn để giải quyết vấn đề dễ dàng hơn", một kỹ sư giải thích, người này nói thêm rằng một trong những vấn đề mà Tesla từng gặp phải trước đây là độ dày điện cực khác nhau khiến lá kim loại và điện cực không thẳng hàng khi quấn, "giống như cố gắng cuộn bốn tờ giấy có độ dày khác nhau lại với nhau". Đây không phải là một quy trình phức tạp, vì các phương pháp ướt hiện tại cũng gặp phải các vấn đề tương tự, với các giải pháp từ nhà cung cấp có chi phí cao hơn.

Sự thay đổi trong lộ trình kỹ thuật là chìa khóa để Tesla tự tin đạt được sản xuất hàng loạt quy trình khô hoàn toàn đối với pin 4680 vào cuối năm nay, với các ô pin được cho là đã được lắp vào ô tô để thử nghiệm chất lượng.

Điện cực khô có phù hợp nhất với pin hình trụ lớn không?

Ngay cả một công ty sáng tạo như Tesla cũng thấy khó khăn trong việc nắm vững các quy trình điện cực khô, đặc biệt là khi sử dụng than chì làm cực dương. Các công ty pin điện của Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc đã áp dụng một chiến lược quanh co hơn, sử dụng các phương pháp ướt hoàn thiện kết hợp với cực dương silicon-cacbon để sản xuất hàng loạt.

Cả hai phương pháp đều có ưu và nhược điểm. Về lý thuyết, công nghệ xử lý điện cực khô của Tesla, bằng cách loại bỏ giai đoạn nung, mang lại lợi thế về chi phí nhưng cải thiện mật độ năng lượng hạn chế khi chỉ sử dụng than chì làm cực dương.

Phương pháp ướt hoàn thiện, trong khi vẫn duy trì chi phí sản xuất, cung cấp mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất tốt hơn. Nhược điểm là vấn đề phồng rộp chưa được giải quyết của cực dương silicon. Hiện nay, nhiều nhà sản xuất pin trong nước đang mắc kẹt ở giai đoạn này.

Tất nhiên, việc điều chỉnh quy trình sản xuất mang lại nhiều sự không chắc chắn hơn.

So với các dây chuyền sản xuất pin hình trụ truyền thống, các quy trình dành cho pin hình trụ lớn đòi hỏi độ chính xác của lớp phủ cao hơn. “Trước đây, lớp phủ là một thanh duy nhất, phủ một mặt và căn chỉnh cả hai cạnh”. Một kỹ sư cho biết: "Pin hình trụ lớn có các tab đầy đủ với nhiều cạnh cần căn chỉnh trong quá trình phủ".

Điều này gây áp lực rất lớn lên thiết bị vì pin 4680 yêu cầu độ chính xác phủ với độ lệch 0,1 mm trở xuống, trong khi hầu hết các thiết bị ở Trung Quốc chỉ có thể đạt được độ chính xác khoảng 0,5 mm.

Vấn đề này không phải là không thể vượt qua. Thiết bị phủ của Nhật Bản đảm bảo độ lệch 0,1 mm trong hợp đồng nhưng chi phí cao hơn thiết bị của Trung Quốc từ 3 - 4 lần.

Đây chỉ là một vấn đề với lớp phủ vì các tab đầy đủ phải đối mặt với nhiều vấn đề. Cho dù sử dụng quy trình làm phẳng hay cắt trong quá trình tạo tab, các mảnh hoặc gờ nhỏ có thể được tạo ra, gây ra rủi ro mất kiểm soát nhiệt nếu chúng xâm nhập vào cell pin.

Sản xuất pin tuân theo "nguyên tắc thùng", nghĩa là cell có dung lượng thấp nhất trong một nhóm cell sẽ quyết định dung lượng của toàn bộ nhóm pin. Mỗi vấn đề phải được giải quyết thỏa đáng đối với pin hình trụ lớn để đạt được sản xuất hàng loạt suôn sẻ.

Do cuộc chiến giá cả đang diễn ra, việc sản xuất hàng loạt pin hình trụ lớn đã nhiều lần bị trì hoãn. Trong khi đó, pin bán rắn có mật độ năng lượng cao hơn đang hướng tới sản xuất hàng loạt, giành được đơn đặt hàng của các nhà sản xuất ô tô.

Việc theo đuổi mật độ năng lượng cao hơn trong EV luôn tồn tại. Bộ pin bán rắn 150 Wh/kg của Nio đã được thử nghiệm trực tiếp, với phạm vi hoạt động vượt quá 1.000 km. Năm nay, IM Motors đã tung ra dòng pin bán rắn “Lightyear”, hứa hẹn sẽ giao hàng trong năm.

Theo Liên minh đổi mới pin ô tô Trung Quốc, pin bán rắn có công suất 2154,7 MWh đã được lắp đặt trong nửa đầu năm nay. Công suất này đủ để trang bị cho hơn 14.000 xe Nio ET7.

Được hưởng lợi từ mật độ năng lượng cao, pin bán rắn đang nhanh chóng tiến tới sản xuất hàng loạt. Pin hình trụ lớn cũng đang tiến tới khả năng sạc nhanh, với các công ty như Eve Energy, CALB và Zenergy giới thiệu các sản phẩm hình trụ lớn 4 - 6C.

Mặc dù cả pin bán rắn và pin hình trụ lớn đều đang tiến gần đến sản xuất hàng loạt, nhưng ý kiến ​​của ngành về từng công nghệ lại khác nhau.

Một quan điểm cho rằng khi pin bán rắn đạt được sản xuất hàng loạt, pin hình trụ lớn sẽ trở nên lỗi thời. Với mật độ năng lượng vượt trội và triển vọng phát triển trong tương lai (trạng thái rắn), pin bán rắn được coi là có lợi thế gần như tuyệt đối, với chi phí là nhược điểm đáng kể duy nhất.

Mặt khác, một số người tin rằng pin hình trụ lớn mang lại nhiều lợi ích hơn. Về mặt an toàn, pin hình trụ lớn sử dụng vỏ thép, trong khi pin bán rắn sử dụng các gói mềm. Có sự không chắc chắn liệu pin ba thành phần niken cao trong các gói mềm có thể đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia mới về thử nghiệm nhiệt độ "không cháy, không nổ" hay không.

Mặc dù có nhiều ý kiến ​​khác nhau, cả hai công nghệ đều phải đối mặt với sự chậm trễ trong sản xuất hàng loạt do các cuộc chiến cắt giảm chi phí đang diễn ra trong ngành công nghiệp ô tô.

Tesla cần phải dốc toàn lực

Trong ngành công nghiệp pin, tính thực tế đã trở nên tối quan trọng, với những đột phá trong công nghệ mới thường bị lu mờ bởi sức hấp dẫn của mức giá thấp hơn đối với công nghệ đã trưởng thành. Xu hướng này đặc biệt thách thức đối với pin hình trụ lớn. Các công ty sản xuất ô tô và pin, từng rất nhiệt tình với công nghệ này, đã phần lớn im ắng, trừ Tesla.

Tesla được cho sẽ sản xuất hàng loạt pin hình trụ lớn hoàn toàn theo quy trình khô tại Mỹ vào cuối năm nay, sau đó là các nhà máy ở châu Âu.

Tesla luôn là người tiên phong trong các công nghệ mới, tạo ra tiền lệ cho các nhà sản xuất ô tô khác noi theo, dù là thông qua đúc khuôn tích hợp hay triển khai các mẫu xe lớn. Chu kỳ này có thể lặp lại nếu Tesla sản xuất hàng loạt và áp dụng pin hình trụ lớn thành công vào cuối năm.

Việc cắt giảm chi phí sản xuất trên quy mô lớn đạt được thông qua cải tiến quy trình. Công nghệ điện cực khô của Tesla và tốc độ sản xuất pin hình trụ lớn là rất quan trọng. Tốc độ sản xuất pin hình trụ hiện đã đạt 300 PPM (sản xuất 300 cell mỗi phút). Nếu pin hình trụ lớn đạt được tốc độ này, hiệu quả sản xuất của chúng có thể gấp 4 - 5 lần so với pin hình lăng trụ.

Cùng với việc giảm chi phí thiết bị và vật liệu do quy trình khô mang lại, pin hình trụ lớn có thể phải đối mặt với những thách thức ngắn hạn về năng suất và hiệu quả, nhưng việc giảm chi phí dài hạn là đáng kể. Đối với các nhà sản xuất ô tô, pin hình trụ lớn thống nhất các thông số kỹ thuật của pin, giảm giá thành và tăng cường kiểm soát đối với các nhà cung cấp pin.

Tuy nhiên, thiết kế cụm pin hình trụ lớn lại là một thách thức. Một kỹ sư trong ngành pin cho biết: "Ít nhà sản xuất ô tô Trung Quốc có khả năng kỹ thuật này. Khó khăn trong thiết kế cụm pin hình trụ lớn nằm ở nhiều điểm hàn, nhưng đây không phải là vấn đề không thể vượt qua, chỉ cần đầu tư. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ô tô hiện đang thiếu vốn".

Ngành công nghiệp pin đang theo dõi chặt chẽ công nghệ của Tesla, đặc biệt là CATL. Là công ty dẫn đầu về pin toàn cầu, các dây chuyền sản xuất của CATL hầu như chỉ dành cho pin hình lăng trụ. Nếu pin hình trụ lớn được áp dụng rộng rãi, CATL sẽ cần phải thay đổi chiến lược sản xuất với chi phí cao.

Một người thân cận với CATL đã nói rằng, mặc dù CATL không công khai hỗ trợ pin hình trụ lớn, nhưng công ty đã đầu tư rất nhiều vào chúng một cách riêng tư. Về mặt nội bộ, CATL vận hành một dây chuyền sản xuất pin hình trụ lớn với hiệu suất khoảng 150 PPM, với chi phí đầu tư đã lên tới hàng tỷ Nhân dân tệ.

Tesla đánh giá cao hiệu quả sản xuất của pin hình trụ. Hình dạng cuộn của các ô hình trụ về mặt lý thuyết giống với quá trình sản xuất cuộn giấy vệ sinh. Hiện tại, tốc độ cuộn của CATL là 100 mét mỗi phút, một mức cao nhất trong ngành pin, trong khi tốc độ cuộn của cuộn giấy dễ dàng đạt tới 1.000 mét mỗi phút. Các quy trình sản xuất pin vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện, đây là một lý do khiến Musk kiên trì phát triển pin 4680. Ông đặt mục tiêu cách mạng hóa sản xuất pin, giống như cách ông thay đổi sản xuất ô tô.

Theo kỳ vọng ban đầu của Musk, pin 4680 có thể giảm chi phí sản xuất pin khoảng 20%, chi phí đầu tư thiết bị giảm 35% và diện tích sàn nhà máy giảm 70%.

Pin hình trụ lớn tạo thành nền tảng cho vòng mở rộng quy mô lớn tiếp theo của Tesla, sản xuất ô tô giá cả phải chăng với pin rẻ hơn và tạo ra nhiều lợi nhuận hơn để tái đầu tư vào nghiên cứu và mở rộng năng lực. Bước đột phá này có thể thúc đẩy tầm nhìn lớn của Musk đó là đẩy nhanh sự ra đời của kỷ nguyên xe điện và quá trình chuyển đổi của thế giới sang năng lượng bền vững.