Thúc đẩy việc sản xuất pin Lithium-Ion thông qua phân tích và kiểm soát chất lượng
Pin lithium-ion đối với ngành công nghiệp xe điện
Cách đây một thập kỷ, thị trường xe điện cá nhân (EV) được xem là một khái niệm không thực tế. Tuy nhiên, ngày nay, bối cảnh trong ngành vận tải đã có sự biến đổi đáng kể và đối mặt với tương lai sử dụng điện là nguồn năng lượng chính. Theo báo cáo mới nhất từ cơ quan năng lượng quốc tế, châu Âu đã đăng ký tổng cộng 1,4 triệu xe ô tô điện vào năm 2020, chiếm 10% tổng số xe bán ra.
Trong khi đó, ở Trung Quốc và Mỹ, tỷ lệ này lần lượt là 6% và 2%. Sự gia tăng đáng kể này có thể được giải thích bằng sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe điện và sự gia tăng của số lượng người mua xe điện. Các yếu tố quan trọng bao gồm chính sách hỗ trợ từ chính phủ để thúc đẩy công nghệ năng lượng thay thế, cùng với sự mở rộng của phạm vi hoạt động và sức mạnh của các mẫu xe điện mới.
Pin lithium-ion (Li-ion) đang chứng kiến một cuộc cách mạng quan trọng trong lĩnh vực xe điện. Được xem là nguồn năng lượng cốt lõi của pin, tế bào điện hóa Li-ion bao gồm cặp cực dương và cực âm, được kết hợp với chất điện phân thường chứa lithium hexafluorophosphate (LiPF6) cùng với một hỗn hợp dung môi carbonat hữu cơ. Khi kết hợp với các thành phần khác như điện cực mang điện và thiết bị phân tách, bộ phân tách này cho phép di chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm trong quá trình sạc và xả pin.
Trong suốt 20 năm qua, đã có những đột phá kỹ thuật giúp tăng khả năng lưu trữ năng lượng của tế bào, đồng thời giảm kích thước thùng chứa năng lượng. Sự kết hợp của các cải tiến thiết kế này, cùng với quá trình sản xuất hàng loạt tự động hóa và chính xác cao, đã giảm giá pin Li-ion xuống tới 89% trong vòng mười năm qua. Sự gia tăng nhu cầu sản xuất pin Li-ion cho xe điện đã đặt ra một loạt thách thức mới đối với các nhà sản xuất, bất chấp việc quy trình sản xuất pin Li-ion cho các thiết bị điện tử tiêu dùng nhỏ đã được thiết lập tốt.
Marc Locke, chủ tịch phụ trách kỹ thuật sản xuất các linh kiện di động điện tử tại Đại học RWTH Aachen, lưu ý rằng mặc dù thiết bị và quy trình làm việc tương tự nhau, nhưng “pin ô tô yêu cầu pin và bộ điều khiển chất lượng cao hơn các thiết bị nhỏ hơn”.
Hàng trăm tế bào riêng lẻ được nối dây với nhau tạo thành một bộ pin lithium-ion EV duy nhất. Độ chính xác là điều cần thiết và chỉ một sai sót trong một tế bào cũng có khả năng làm giảm hiệu suất và gây ra đoản mạch bên trong, có thể dẫn đến đánh lửa chất điện phân dễ cháy của pin.
Andrew Jansen, một kỹ sư hóa học và trưởng nhóm của cơ sở phân tích, tạo mô hình và tạo mẫu tế bào (CAMP) tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nhận xét: “Quần short bên trong tế bào là nguyên nhân khiến các kỹ sư pin mất ngủ vào ban đêm. Đó là một lượng năng lượng khổng lồ trong một không gian nhỏ bé.“
Quy trình sản xuất pin cần phải đáp ứng ngưỡng chính xác hẹp và kết hợp các phân tích kiểm soát chất lượng tương thích với dây chuyền sản xuất tự động, công suất cao để đảm bảo pin Li-ion dành cho xe điện đáp ứng các yêu cầu về an toàn và hiệu suất. Kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất là chìa khóa thành công và phải mất nhiều ngày để pin ở trạng thái hoạt động được để thực hiện các bài kiểm tra hiệu suất này.
Đáp ứng thách thức kiểm soát chất lượng
Để đối phó với thách thức đặt ra trong việc kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất pin Lithium-ion, quy trình này phải trải qua ba giai đoạn chính, mỗi giai đoạn đều bao gồm một loạt các bước chi tiết. Điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng các bước sản xuất này không chịu sự dung sai nổi bật; ví dụ, sai số cho độ dày của màng điện cực chỉ được phép trong khoảng rất hẹp là ±2 μm. Để đảm bảo mức chính xác này, hầu hết các dây chuyền sản xuất pin lithium-ion dành cho xe điện đã được tự động hóa một cách hoàn toàn.
Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng và đảm bảo độ chính xác không dừng lại ở đây. Để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy trong môi trường sản xuất đòi hỏi tốc độ cao như vậy, các thiết bị tự động hóa này phải được trang bị một bộ công cụ phân tích tích hợp trực tiếp vào dây chuyền sản xuất. Điều này cho phép các phép đo và kiểm tra chất lượng được thực hiện ngay lập tức sau khi sản phẩm hoàn thành, nhằm phát hiện và xử lý ngay lập tức mọi sai sót có thể xảy ra.
Theo Junkichi Azuma, người đứng đầu bộ phận ứng dụng công nghiệp tại Sartorius, đáp ứng độ chính xác chỉ là một phần của thách thức. Các công cụ và hệ thống sử dụng trong các dây chuyền sản xuất cần phải có tính mạnh mẽ và khả năng đáp ứng nhanh chóng để xử lý tốc độ nhanh của quy trình sản xuất. Hệ thống này, tương tự như quy trình sản xuất chính, được thiết kế để hoàn toàn tự động hóa và có khả năng cung cấp kiểm soát tối ưu trong các giai đoạn sản xuất và phát hiện bất kỳ khiếm khuyết nào về chất lượng sản phẩm.
Nhấn mạnh thêm, việc kiểm tra hiệu suất, ví dụ như theo dõi sự ổn định của điện áp đầu ra, chỉ có thể thực hiện sau khi pin đã được lắp ráp hoàn chỉnh và đạt đến giai đoạn cuối của quy trình sản xuất.
Chuẩn bị các điện cực
Việc chuẩn bị các điện cực, cụ thể là cực dương và cực âm, đánh dấu bước đầu tiên quan trọng trong quá trình sản xuất pin Lithium-ion. Đây là giai đoạn tạo sự phân tách và kết hợp các thành phần cực dương và cực âm thay vì một hỗn hợp. Thường thì, bùn cực dương bao gồm các thành phần như chất kết dính polyme, các chất phụ gia khác và nước tinh khiết dùng làm dung môi, cùng với than chì được sử dụng làm vật liệu anốt. Bùn cực âm thường chứa các vật liệu oxit nhiều lớp bao gồm coban, niken và mangan (NMC) dành cho pin lithium-ion dành cho xe điện. Dung môi N-methyl pyrrolidinone (NMP) được sử dụng để phân tán oxit NMC, kết dính và các chất phụ gia.
Một dây chuyền sản xuất đặc biệt được sử dụng để đưa các tấm lá đồng và nhôm dài vào quá trình này. Các hỗn hợp điện cực sau đó được lắng đọng trên các tấm giấy bạc dưới dạng lớp màng mỏng. Trong trường hợp cực dương và cực âm, các tấm lá đồng và nhôm đóng vai trò quan trọng làm bộ thu dòng điện. Sau khi hoàn thành bước phủ, các lớp màng được làm khô thông qua việc sử dụng gradient gia nhiệt để giảm thiểu nguy cơ nứt, bong tróc, và bất kỳ biến dạng nào trên bề mặt màng.
Tiếp theo, trong một quy trình gọi là lập lịch, các tấm giấy được chuyển qua các con lăn có trọng lượng để đạt được độ xốp tối ưu cho điện cực hoạt động. Trong vài giờ sau đó, các tấm giấy sẽ được chuyển đến phòng sấy chân không để loại bỏ bất kỳ độ ẩm còn sót lại. Trong giai đoạn này của quy trình, tốc độ dây chuyền sản xuất thường có thể đạt tới 50 mét mỗi phút.
Kiểm soát chất lượng: Kiểm tra quang học
Trong việc kiểm soát chất lượng của các bộ điện cực, phương pháp quan trọng nhất là kiểm tra quang học. Với tốc độ sản xuất điện cực ngày càng tăng, việc kiểm tra bằng tay đã trở nên không khả thi. Theo quan điểm của Locke, giải pháp phổ biến nhất là sử dụng hệ thống camera và thiết bị phát hiện để thực hiện kiểm tra quang học. Ví dụ, một máy ảnh quang học có thể được sử dụng để kiểm tra màng điện cực, xác định sự hiện diện của bất kỳ khuyết tật về mặt vĩ mô nào, chẳng hạn như vết nứt hoặc sự không đều về hình học ở rìa của màng.
Theo Locke, các công cụ quang học này còn bao gồm máy tính trang bị thuật toán để xác định và đánh dấu các khiếm khuyết nếu có. Hơn nữa, hình ảnh tia X có thể được sử dụng để theo dõi việc căn chỉnh chính xác giữa các bộ điện cực dương và âm trong quá trình lắp ráp sản phẩm.
Hy vọng thông tin trong bài viết đã giúp bạn biết được sâu hơn về thúc đẩy việc sản xuất pin Lithium-Ion thông qua phân tích và kiểm soát chất lượng. Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, xin vui lòng truy cập vào trang website COMIT và Fanpage của chúng tôi.
