Công nghệ chế tạo pin Lithium: Lịch sử, các ứng dụng hiện tại và tương lai

Công nghệ chế tạo pin Lithium đã mang đến những sản phẩm pin Lithium-ion với hiệu suất hoạt động cao, thời gian sạc nhanh và có khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Công nghệ này thực sự đã thay đổi khả năng lưu trữ và tạo ra một cuộc cách mạng hóa cho ngành công nghiệp hiện nay.

1. Tiến trình phát triển của công nghệ chế tạo pin Lithium đến nay

Năm 1970, Whittingham đã sử dụng titan (IV) sunfua và kim loại lithi làm điện cực chế tạo pin Lithium. Tuy nhiên, loại pin Lithium được tạo ra từ thí nghiệm này không thể ứng dụng vào thực tế vì chi phí sản xuất quá tốn kém. Đồng thời, các chất hóa học có trong pin Lithium như titan disulfua khi tiếp xúc với không khí có thể tạo ra phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua gây mùi khó chịu.

Năm 1980, John Goodenough đã thử kết hợp giữa chất lithium coban oxit để dòng điện có thể di chuyển từ điện cực này sang điện cực kia của pin dưới dạng ion Li+ nhằm tạo ra pin Lithium.

Đến năm 1983, nhà khoa học Akira Yoshino của Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Phát minh này của nhà khoa học Yoshino được coi là tiền thân trực tiếp của công nghệ pin Lithium-ion (LIB) hiện đại.

Pin Lithium-ion bắt đầu chính thức được thương mại hóa từ năm 1991 bởi Sony Energytec. Trên thị trường dành cho các thiết bị di động và lưu trữ điện UPS hiện nay, chuẩn pin Lithium đang giữ vị trí gần như thống trị khi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trên toàn cầu, đặc biệt trong ngành sản xuất ô tô điện và xe máy điện.

2. Quy trình sản xuất pin Lithium-ion hiện tại

Quy trình sản xuất pin Lithium-ion bao gồm 3 phần chính, đó là chuẩn bị điện cực, lắp ráp tế bào và kích hoạt điện hóa pin.

• Chuẩn bị điện cực

Sử dụng vật liệu hoạt tính (AM), phụ gia dẫn điện và chất kết dính được trộn để tạo thành hỗn hợp bùn đồng nhất với dung môi. Sau đó, bùn được bơm vào một khuôn rãnh, được phủ trên cả hai mặt của bộ thu dòng điện (lá Al cho cực âm và lá Cu cho cực dương), và đưa đến thiết bị làm khô để làm bay hơi dung môi. 

Đối với bùn cực dương gốc nước, hơi vô hại có thể thoát ra môi trường xung quanh trực tiếp. Sau đó, các điện cực được đưa đến lò chân không để loại bỏ lượng nước dư thừa. Độ ẩm của các điện cực sẽ được kiểm tra sau khi làm khô để đảm bảo giảm thiểu phản ứng phụ và ăn mòn trong tế bào.

• Lắp ráp tế bào

Các điện cực và thiết bị phân tách được cuộn lại hoặc xếp chồng lên nhau từng lớp để tạo thành cấu trúc bên trong của tế bào. Các mẫu nhôm và đồng được hàn lần lượt trên dòng điện cực âm và cực dương. 

Phương pháp hàn phổ biến nhất là hàn siêu âm, và một số nhà sản xuất có thể chọn hàn điện trở cho thiết kế của họ. Sau đó, ngăn xếp tế bào được chuyển đến vỏ bọc được thiết kế, hiện không có tiêu chuẩn nhất quán. Mỗi nhà sản xuất có sở thích của họ tùy thuộc vào mục đích của các tế bào. Vỏ bọc được đổ đầy chất điện phân trước khi niêm phong cuối cùng và hoàn thành quá trình sản xuất tế bào.

• Kích hoạt điện hóa pin

Lớp giao diện điện phân rắn (SEI) ổn định có nhiệm vụ ngăn chặn sự tiêu thụ không thể đảo ngược của chất điện phân, đồng thời bảo vệ cực dương của pin khỏi hiện tượng quá điện trong quá trình sạc nhanh. Điều này có thể dẫn đến việc hình thành các đuôi gai Li. Quá trình hình thành và lão hóa pin xảy ra do quá trình sạc các tế bào đến một điện áp tương đối thấp (khoảng 1,5V) để bảo vệ bộ thu dòng điện đồng khỏi việc bị ăn mòn. Sau đó sẽ diễn ra 1 phiên nghỉ ngơi nhằm làm ướt chất điện phân. 

Các tế bào khi được sạc hoặc xả ở tỷ lệ thấp khoảng C/20. Sau đó tốc độ sạc/xả sẽ tăng dần từ từ để đảm bảo tạo một lớp SEI ổn định trên bề mặt cực dương. Khí được tạo ra từ quá trình hình thành sẽ tạo ra một lượng khí và cần được thải ra ngoài để đảm bảo an toàn. Sau khi kết thúc hoặc trong chu kỳ hình thành, các tế bào đã được lưu trữ trên các kệ lão hóa để làm ướt hoàn toàn chất điện phân và ổn định SEI. 

Một bước khử khí khác được sắp xếp trước khi các tế bào cuối cùng được niêm phong cho các ứng dụng trong về sau. Tùy thuộc vào quy trình hình thành và nhiệt độ lão hóa, bước này thường kéo dài trong vài tuần.

3. Tương lai của công nghệ chế tạo pin Lithium

Hiện nay, công nghệ chế tạo pin Lithium đang được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải và cả y tế, quân sự. Tuy nhiên khi đánh giá về các công nghệ chế tạo pin có thể thay thế cho pin Lithium, các chuyên gia cho biết rằng: Hiện có những vật liệu và chất hóa học sử dụng cho chế tạo pin đang được phát triển ngoài chuẩn pin Li-ion, bao gồm các công nghệ dựa trên lithium-lưu huỳnh, natri, magie (Li/S, Na, Mg). 

Những điều này chắc chắn sẽ đem lại những lợi ích nhất định so với công nghệ pin Li-ion hiện tại về mật độ năng lượng hoặc chi phí sau khi được thương mại hóa. Tuy nhiên, mức độ phát triển của công nghệ này vẫn còn thấp so với Li-ion ở thời điểm hiện tại. Do đó, cần phải có những bước đột phá hơn nữa từ vật liệu có thể sử dụng  để chế tạo pin cạnh tranh với pin Li-ion.

Thực tế tại thời điểm này, chuẩn pin Li/S vẫn chưa sẵn sàng để được thương mại hóa do khoảng cách giữa sản xuất thực tế và nghiên cứu vẫn khá lớn. Ngoài ra, các nghiên cứu thúc đẩy giảm lượng khí thải carbon và phát triển sản xuất các nguồn năng lượng bền vững như năng lượng mặt trời và gió, kết hợp với thiết bị lưu trữ như pin cũng đang  được kỳ vọng có thể thay thế pin Li-ion. Việc đổi mới của quá trình lựa chọn vật liệu, thiết kế và công nghệ sản xuất pin thay thế cho pin Li-ion là tất yếu, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn hơn.

Các vật liệu mới như polyme rắn, gốm và chất điện phân thủy tinh cho phép pin thể rắn và các quy trình sản xuất pin mới thân thiện với môi trường sẽ loại bỏ việc sử dụng các dung môi độc hại đang được sử dụng trong quá trình sản xuất pin Li-ion.

4. VinFast ứng dụng công nghệ chế tạo pin Lithium như thế nào?

Các sản phẩm xe máy điện và ô tô điện thông minh của VinFast sử dụng pin Lithium cao cấp được sản xuất bởi sự hợp tác với hãng LG Chem, đơn vị nổi tiếng thế giới trong lĩnh vực phát triển công nghệ pin tiên tiến bậc nhất. Hệ thống pin Lithium của xe điện VinFast đạt tiêu chuẩn quốc tế, thân thiện môi trường, bảo hành ưu việt 3 năm không giới hạn số kilomet trên toàn hệ thống showroom, đại lý của VinFast, đảm bảo tuổi thọ sử dụng bền bỉ lên tới 5 năm.

Dưới đây là một số thông tin đặc điểm pin Lithium trang bị cho từng dòng xe máy điện, ô tô điện VinFast dành cho khách hàng tham khảo trước khi lựa chọn bộ sản phẩm phù hợp. 

4.1. Xe máy điện VinFast Theon

Xe máy điện VinFast Theon cao cấp được trang bị công nghệ chế tạo pin Lithium hàng đầu. Hệ thống pin  sử dụng cell pin của Samsung và ứng dụng công nghệ Pack Pin tiên tiến do VinFast nghiên cứu và phát triển, đạt tiêu chuẩn Châu Âu ECE R136 và tiêu chuẩn Mỹ UL 227. 

Để đảm bảo năng lượng hoạt động mạnh mẽ và bền bỉ, xe VinFast Theon sử dụng cụm 2 viên pin thế hệ mới chạy song song, có tổng trọng lượng đạt 19kg/2 pin, tổng dung lượng là 49,6 Ah/2 pin. Pin xe máy điện Theon cho quãng được hoạt động tối đa lên đến 101km/1 lần sạc đầy (với vận tốc trung bình 30km/h). 

Pin Lithium trên VinFast Theon hỗ trợ khả năng sạch nhanh từ 0 – 100% chỉ mất 5,5 – 6 giờ. Tuổi thọ thế hệ pin mới này lên tới 2.000 lần sạc mà vẫn đảm bảo 70% dung lượng hoạt động ưu việt. Pin đạt chuẩn chống nước IP67, an toàn khi di chuyển trong điều kiện trời mưa hoặc được ngập nước dưới 1m trong khoảng 30 phút.  

4.2. Xe máy điện VinFast Ludo

Xe máy điện VinFast Ludo vóc dáng gọn nhẹ, trẻ trung sử dụng viên pin Lithium-ion được cung cấp bởi thương hiệu sản xuất pin LG Chem cho chất lượng vượt trội. Vị trí pin được đặt dưới yên xe, có khối lượng chỉ 7,8Kg/pin. Dung lượng pin danh định đạt 22Ah, sạc đầy mất 4,8 giờ và cho phép di chuyển quãng đường lên tới 75 km sau khi sạc đầy. 

Hệ thống pin xe máy điện VinFast Ludo được trang bị chế bảo vệ và chuẩn chống nước IP57, giúp bạn yên tâm di chuyển trong những ngày đường mưa ngập mà không lo ảnh hưởng đến pin hay động cơ xe. 

4.3. Xe máy điện VinFast Impes

Tương tự như VinFast Ludo, thiết kế thể thao và tính năng vận hành mạnh mẽ và tính năng vận hành mạnh mẽ là lựa chọn lý tưởng cho học sinh, sinh viên. Xe máy điện VinFast Impes sử dụng chuẩn pin Lithium-ion được VinFast và LG Chem hợp tác sản xuất. Viên pin Lithium có trọng lượng 7,8kg, được đặt dưới bệ để chân. 

Vậy đánh giá pin xe máy điện VinFast có tốt không? Xe máy điện VinFast Impes đạt tiêu chuẩn chống nước IP57, có khả năng di chuyển ngay cả trong điều kiện trời mưa, trên đường ngập sâu 0,5m trong khoảng 30 phút. Dung lượng pin xe máy điện Impes đạt 22Ah, cho phép di chuyển quãng đường tối đa lên tới 70km sau 1 lần sạc đầy. Thời gian để sạc đầy viên pin nhanh chóng, chỉ mất 4,8 giờ. Khách hàng cũng có thể dễ dàng đổi xe trên toàn quốc chỉ mất 3 phút.

4.4. Xe máy điện VinFast Klara S

Xe máy điện VinFast Klara S hiện đại được trang bị công nghệ pin Lithium-ion tiên tiến có dung lượng cao, công suất lớn và vận hành bền bỉ. VinFast Klara S được trang bị 2 viên pin Lithium cung cấp bởi LG Chem, tổng dung lượng đặt 22Ah và trong lượng 7,8kg/1 pin. 

Sau khi sạc đầy, pin xe Klara S có thể di chuyển quãng đường tối đa lên tới 120km. Tuổi thọ pin đạt 1.000 chu kỳ vòng sạc, giúp tiết kiệm 50% chi phí vận hành và bảo dưỡng phương tiện so với xe máy chạy xăng. Ngoài ra, xe máy điện VinFast Klara S đạt tiêu chuẩn chống nước IP67, cho phép pin và động cơ có thể hoạt động bình thường trong điều kiện ngập nước tới 0,5m trong thời gian nửa giờ.

4.5. Xe ô tô điện VinFast VF e34

Chiếc xe ô tô điện VinFast VF e34 thông minh đầu tiên của Việt Nam được phát triển bởi VinFast. Ô tô điện VF e34 sử dụng Lithium-ion (NCA) với dung lượng đạt 42kWh, đi kèm 2 chế độ sạc nhanh và sạc tiêu chuẩn. Với chế độ sạc tiêu chuẩn thông thường, pin VinFast VF e34 được sạc đầy trong khoảng 8 giờ và quãng đường di chuyển tối đa đạt 300km/1 lần sạc đầy (theo chuẩn NEDC). Với chế độ sạc nhanh của VinFast, sau khoảng 20 phút sạc pin ô tô điện VF e34 cho phép đi được quãng đường 180km.

Khách hàng có thể dễ dàng sạc xe ô tô điện VF e34 tại nhà hoặc sạc nhanh tại hệ thống hơn 40.000 cổng sạc cho ô tô và xe máy điện trên toàn quốc được VinFast dự kiến triển khai trong năm 2021. Ô tô điện VF e34 còn được trang bị chuẩn chống nước IP67 cao cấp, đảm bảo hoạt động bền bỉ của động cơ chống nước và bụi bẩn. 

Công nghệ chế tạo pin Lithium tiên tiến hứa hẹn đem đến rất nhiều trải nghiệm tuyệt vời trên những mẫu xe máy điện và ô tô điện VinFast. Chắc chắn đây sẽ là lựa chọn hàng đầu cho các phương tiện giao thông xanh cho bạn và gia đình. Khách hàng hãy đến các showroom, đại lý của VinFast trên toàn quốc hoặc truy cập website phân phối sản phẩm chính thức của VinFast để được tư vấn hỗ trợ.