Những nguyên tắc đầu tiên có thể truyền cảm hứng cho hướng khám phá đúng đắn, nhưng bản thân chúng không phải là con đường.
Tỉ phú Elon Musk đã công bố một tầm nhìn lớn vào năm 2006: chế tạo các loại xe điện ngày càng rẻ hơn để thay thế các phương tiện chạy bằng nhiên liệu và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng bền vững của thế giới.
Tuy nhiên, con đường này quả là gập ghềnh. Giá xe điện ban đầu đắt hơn giá xe chạy nhiên liệu truyền thống và sau một loạt nỗ lực, giá xe điện hiện nay vẫn ngang với giá xe xăng. Và "nút thắt" khiến xe điện không thể đạt đột phá về giá chính là pin. Tesla đã rất nỗ lực đầu tư nghiên cứu phát triển để gỡ nút thắt này với pin 4680.
Pin Tesla 4680 được ra đời vào năm 2020, sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển của Tesla. Pin này có kích thước lớn hơn so với các loại pin truyền thống, với đường kính 46 mm và chiều cao 80 mm. Điều này giúp tăng mật độ năng lượng của pin lên khoảng 50%, đồng thời giảm chi phí sản xuất.
Pin 4680 sử dụng một số công nghệ mới, bao gồm:
Cấu trúc điện cực không có tab: Tab là các thanh kim loại được sử dụng để nối hai cực của pin. Trong pin 4680, các tab được thay thế bằng một lớp dẫn điện được phủ trên bề mặt của điện cực. Điều này giúp tăng cường khả năng truyền điện và giảm tổn thất năng lượng.
Công nghệ sản xuất mới: Tesla đã phát triển một số công nghệ sản xuất mới để sản xuất pin 4680 với chi phí thấp hơn. Các công nghệ này bao gồm:
Vào nửa cuối năm nay, Tesla bắt đầu tìm đến các công ty pin Trung Quốc để OEM các mảnh cột pin để đáp ứng yêu cầu sản xuất. Đến quý 2 năm sau, Panasonic sẽ bắt đầu cung cấp pin cho Tesla tuy nhiên năng lực sản xuất sẽ chỉ đủ tải khoảng 60.000 xe.
Từ Roadster đến Model 3, rồi đến Model Y, Tesla đã sử dụng tư duy "nguyên tắc đầu tiên" trên nhiều thế hệ mẫu xe mới: tức là xem xét lại những quy ước và khuôn mẫu mà hầu hết mọi người đã quen thuộc, đồng thời truy ngược nguồn gốc để phân tích liệu chúng có hợp lý hay không, rồi bắt đầu từ những nguyên lý vật lý để tìm ra những giải pháp mới, đơn giản hơn và rẻ hơn nhằm hoàn thành những mục tiêu mà các chuyên gia trong ngành cho là không thể. Pin 4680 là sự tiếp nối của phương pháp này.
Cuốn Tiểu sử của Musk mô tả nhiều lần quá trình nắm bắt những nguyên tắc đầu tiên. Khi chế tạo tên lửa SpaceX, Musk đã thách thức chính quyền và đề xuất thay thế sợi carbon bằng thép không gỉ rẻ hơn để chế tạo tên lửa, cuối cùng ông chỉ bỏ ra 2% chi phí cho chương trình hạ cánh lên mặt trăng của NASA để chế tạo Starship có thể bay vào vũ trụ.
Tesla và các công ty công nghệ khác do Musk điều hành dường như luôn có thể tìm ra những cách mới để sử dụng những nguyên tắc đầu tiên, chứng minh sự hiểu biết thông thường là sai và hết lần này đến lần khác đạt được vị thế dẫn đầu về công nghệ.
Nhưng cách tiếp cận của Tesla gặp trở ngại khi đề cập đến pin 4680. Loại pin này quyết định công suất sản xuất và giá thành của ô tô thế hệ tiếp theo của Tesla, đồng thời thời gian sản xuất hàng loạt cũng như hiệu suất đều chưa đạt được mục tiêu khi mới ra mắt. Đây là mặt khác của nguyên tắc đầu tiên được nhiều công ty coi như báu vật trong những năm gần đây: khi gặp phải những đổi mới phức tạp, việc bắt đầu lại từ nguyên tắc và bắt đầu lại thường chỉ là điểm khởi đầu của một hành trình khó khăn.
Bất cứ khi nào gặp phải linh kiện có chỉ số ngu ngốc quá cao, Tesla sẽ suy nghĩ lại quy trình và đổi mới phương pháp sản xuất để giảm chi phí và đưa chỉ số về "1" nhiều nhất có thể. Musk tìm cách làm cho chi phí sản xuất một chiếc ô tô gần bằng tổng chi phí của thép, nhôm, silicon, lithium và các vật liệu khác được sử dụng trong ô tô.
Năm 2007, sau khi Musk kiểm tra giá nguyên liệu pin trên Sàn giao dịch kim loại Luân Đôn, ông tính toán rằng "chỉ số ngu ngốc" của pin là 7: Vào thời điểm đó, chi phí của lithium, coban, niken và các vật liệu khác trên mỗi watt-giờ của pin chỉ có 82 USD nhưng giá bán của pin lithium lại lên tới hơn 600 USD, con số này là kết quả 20 năm làm việc chăm chỉ của các hãng pin như Sony và Panasonic.
Tesla thành lập liên doanh với Panasonic vào năm 2014 để xây dựng siêu nhà máy sản xuất pin, với hy vọng giảm chi phí pin. Nhưng đến năm 2020, "chỉ số ngu ngốc" của pin lithium vẫn là 2, và chỉ số ngu ngốc thực tế của toàn bộ xe lúc đó chỉ dưới 1,5. Tesla vẫn phải bán chiếc xe với giá 40.000 USD (giá bán Model 3, khoảng 971 triệu) để duy trì lợi nhuận gộp, điều mà Musk cho rằng chưa đủ rẻ.
Cũng trong năm 2020, Tesla thông báo sẽ phát triển và sản xuất xe điện giá rẻ có giá khoảng 25.000 USD để thâm nhập thị trường ô tô phổ thông hơn và cạnh tranh với các mẫu xe bán chạy nhất như Toyota Corolla.
Hỗ trợ mục tiêu này là một kế hoạch giảm chi phí pin hoàn chỉnh. Từ năm 2018, Tesla đã thành lập nhóm dự án có mật danh “Roadrunner” và bắt đầu lên kế hoạch tự nghiên cứu, sản xuất pin.
Ý nghĩa ban đầu của tư duy theo nguyên tắc đầu tiên là đặt câu hỏi về mọi thứ bạn có thể cho đến khi chỉ còn lại những sự kiện và nguyên tắc cơ bản. Quy luật làm việc đầu tiên của Tesla là: “Hãy đặt câu hỏi cho mọi yêu cầu”.
Nhìn vào việc sản xuất pin từ góc độ này, Tesla đã thay đổi kích thước của pin hình trụ với mục tiêu giảm chi phí, đơn giản hóa quy trình sản xuất và sấy khô ướt phức tạp đã kéo dài hàng thập kỷ, đồng thời thiết kế pin và quy trình sản xuất mới.
Tesla lựa chọn cấu trúc hình trụ lớn: tăng kích thước của pin hình trụ từ đường kính 21 mm và dài 70 mm lên đường kính 46 mm và dài 80 mm, đây chính là nguồn gốc của cái tên pin 4680. Cấu trúc hình trụ lớn hơn có thể làm tăng tỷ lệ vật liệu năng lượng trong một pin, do đó làm tăng mật độ năng lượng của pin.
Thiết kế này có tính đến hiệu quả và chi phí sản xuất. Hiện nay, pin năng lượng phổ biến được chia thành pin hình trụ và pin lăng trụ. Các vật thể hình trụ chạy nhanh hơn trong dây chuyền lắp ráp so với các vật thể hình vuông. Đầu pin hình lăng trụ CATL có thể tạo ra 25 tế bào mỗi phút, trong khi đầu pin hình trụ Panasonic có thể tạo ra 360 tế bào mỗi phút. Nhược điểm của pin hình trụ là khi đóng gói dưới dạng pin sẽ có khoảng trống giữa các trụ và tỷ lệ tận dụng không gian sẽ thấp hơn so với pin vuông.
Xi lanh lớn có thể làm giảm đáng kể khoảng cách. Giám đốc R&D của một hãng ắc quy cho biết, việc kiểm soát đường kính ắc quy hình trụ cho xe ô tô đến 45-50 mm có thể cân bằng tốt nhất dung lượng ắc quy và việc tận dụng không gian, nếu kích thước lớn hơn thì độ khó xử lý sẽ tăng lên và việc tận dụng không gian cũng sẽ tăng lên. được cải thiện sẽ trở nên ít hơn.
“Tăng kích thước” tưởng chừng như là một thay đổi nhỏ nhưng thực chất nó sẽ mang lại hàng loạt cải tiến trái ngược nhau. Chỉ bằng cách làm cho pin lớn hơn, các tab, tức là bộ phận dẫn điện kết nối các mạch bên trong và bên ngoài của pin, sẽ phải chịu nhiều dòng điện hơn, điều này sẽ khiến nhiệt thoát ra dễ dàng hơn và tăng rủi ro về an toàn.
"Vì tai cậu không nghe lời nên hãy vứt nó đi", Musk nói. Tesla sau đó đã loại bỏ các tab pin và thay vào đó sử dụng toàn bộ đáy và vỏ pin để làm tab. Đây là quá trình "tất cả cực" (còn được gọi là "không cực"), có thể tăng tốc độ sạc pin và cho phép pin dễ dàng tản nhiệt hơn - Vỏ pin có kích thước lớn hơn so với các tab nhỏ nhô ra ban đầu giúp tản nhiệt dễ dàng hơn.
Các công ty sản xuất pin đã sử dụng quy trình ướt trong 30 năm qua. Họ trộn vật liệu pin với chất kết dính độc hại, dung môi lỏng rồi dán chúng thành những lá mỏng. Các mảnh cột đã qua xử lý cần được nung trong lò dài 100 mét ở nhiệt độ 90 độ trong 12 giờ, trong quá trình này, dung môi độc hại và hơi ẩm sẽ bay hơi hoàn toàn - toàn bộ quá trình làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.
Tesla tin rằng quy trình ướt không hiệu quả: vì các mảnh cột phải được làm "khô", tại sao các mảnh cột phải được làm ướt trước rồi mới sấy khô? Musk cho rằng đây là phần ngu ngốc trong việc sản xuất pin. Chi phí thiết bị, nhân công và xây dựng nhà xưởng của lớp phủ ướt chiếm 22,76% trong toàn bộ quá trình sản xuất pin.
Vào tháng 2 năm 2019, Tesla đã chi 219 triệu USD để mua công ty siêu tụ điện Maxwell (thiết bị lưu trữ năng lượng điện dùng trong đèn flash máy ảnh và các lĩnh vực khác), đồng thời chuyển quy trình điện cực khô của siêu tụ điện sang pin lithium, trực tiếp thêm các mảnh cực làm khô.
Các điện cực khô không sử dụng chất kết dính lỏng và do đó không cần phải nung, khiến chúng về mặt lý thuyết rẻ hơn, nhanh hơn và ít gây hại cho môi trường hơn. Musk cho biết, chỉ dựa vào quy trình này, Tesla có thể giảm 1/3 chi phí thiết bị trên mỗi đơn vị công suất sản xuất, đồng thời giảm 90% diện tích sàn và mức tiêu thụ năng lượng của xưởng sản xuất điện cực.
Chi phí thiết bị hiện tại cho dây chuyền sản xuất pin hình lăng trụ là khoảng 25,5 triệu đô trong khi chi phí thiết bị cho dây chuyền sản xuất pin 4680 chỉ bằng chưa đến 1/3.
Tesla cũng hy vọng sẽ đẩy nhanh tốc độ dây chuyền lắp ráp pin để nâng cao hiệu quả sản xuất. Musk ghen tị với tính liên tục và hiệu quả cực cao của ngành sản xuất bia, đồ uống khác và ngành giấy: Khi sản xuất bia, không có điểm dừng nào trong dây chuyền sản xuất, các chai bia sẽ không rời khỏi dây chuyền sản xuất cho đến khi chúng được đóng nắp. Sau khi một số bộ phận của pin được sản xuất, chúng thường phải tạm thời rời khỏi dây chuyền sản xuất, vận chuyển đến xưởng tiếp theo bằng xe đẩy, sau đó quay trở lại dây chuyền lắp ráp. Dây chuyền sản xuất pin nhanh nhất hiện nay vận hành với tốc độ 6 km/h, trong khi dây chuyền sản xuất bia nhanh nhất có thể đạt tốc độ 30 km/h.
Để đạt được mục tiêu này, Tesla đã hợp nhất đáng kể quy trình sản xuất pin và phát triển thiết bị tích hợp nhiều quy trình. Ví dụ, vào năm 2021, Tesla đã ra mắt chiếc máy ba trong một để cắt, cuộn dây và hàn tại nhà máy ở Berlin. Những nhiệm vụ này ban đầu yêu cầu ba phần thiết bị khác nhau để hoàn thành.
Theo Musk vào năm 2020, toàn bộ giải pháp pin 4680 có thể giảm chi phí sản xuất pin khoảng 20%, chi phí đầu tư thiết bị khoảng 35% và diện tích sàn nhà máy khoảng 70%.
Vào thời điểm đó, Tesla coi pin 4680 là cơ sở cho việc mở rộng quy mô lớn: sử dụng các nhà máy sản xuất pin với mức đầu tư ít hơn để sản xuất pin lưu trữ năng lượng và pin ô tô, sau đó sử dụng pin rẻ hơn để sản xuất các mẫu giá rẻ có giá 25.000 USD nhằm kích thích doanh số bán hàng và tăng doanh thu. Kiếm thêm lợi nhuận rồi đầu tư vào nghiên cứu phát triển cũng như một đợt mở rộng năng lực sản xuất mới để hình thành bánh đà tăng trưởng và giúp Tesla đạt được mục tiêu đầy tham vọng là bán được 20 triệu xe mỗi năm vào năm 2030.
Vấn đề đầu tiên là chuyển đổi quá trình.
Quy trình sản xuất ô tô tương đối ngắn, yêu cầu thấp về độ chính xác và kiểm soát môi trường, nhiệm vụ chính của sản xuất ô tô là lắp ráp thành phẩm, việc cải tiến một quy trình lắp ráp hiếm khi ảnh hưởng đến quy trình trước đó và các quy trình tiếp theo. Sản xuất pin là việc biến vật liệu thành sản phẩm hoàn chỉnh, quy trình này liên quan chặt chẽ hơn, sản phẩm hoàn thiện của quy trình trước là nguyên liệu thô cho quy trình tiếp theo. Cải tiến một quy trình có nghĩa là sửa đổi các quy trình trước đó và tiếp theo.
Để sử dụng công nghệ điện cực khô và loại bỏ các công đoạn như sấy, Tesla cần thực hiện tất cả các liên kết trước khi sấy “khô”. Điều này chiếm 50% toàn bộ quy trình sản xuất pin và việc kiểm soát môi trường cũng như độ chính xác cao hơn nhiều so với các quy trình khác.
Cốt lõi của điện cực ướt là lớp phủ. Nhiệm vụ của nó giống như phết bơ, bôi đều các vật liệu dương và âm giống như bột nhão bằng chất kết dính lên lá kim loại và độ dày của ứng dụng thường chỉ là 30 micron. Các công ty pin như CATL cam kết tăng tốc độ phủ và hiện có thể phủ 100 mét mỗi phút. Tốc độ phủ càng nhanh thì việc kiểm soát chất lượng càng khó khăn. Đằng sau những cải tiến tinh tế là kinh nghiệm thu được từ hàng tỷ lần thử.
Điện cực khô cũng cần gắn vật liệu điện cực dương và âm vào lá kim loại, tuy nhiên vật liệu điện cực dương và âm là bột khô, độ bám dính yếu, không giống như phết kem mà giống rải cát hơn, đồng thời nó cũng theo đuổi tính đồng nhất và tốc độ.
Để trải đều cát và bám dính chắc chắn, Tesla đã phát triển một chất kết dính mới.
Vào năm 2020, Tesla đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho chất kết dính điện cực khô, cải tiến chất kết dính PVDF ban đầu được sử dụng trong pin lithium. Ở cấp độ vi mô, chất kết dính mới trở nên dạng sợi khi cuộn lại, giống như một mạng nhện. Điều này làm cho việc chà nhám trở thành một bề mặt phẳng “giống như chà nhám một viên kẹo dẻo”, một chuyên gia về xử lý điện cực khô cho biết.
Nhưng vào thời điểm đó, Tesla không biết cần trộn bao nhiêu chất kết dính vào vật liệu điện cực dương và âm: nếu tỷ lệ chất kết dính cao thì sẽ có ít vật liệu mang năng lượng hơn trong pin, mật độ năng lượng sẽ thấp hơn và chất kết dính sẽ cản trở dòng ion lithium trong pin, điều này sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin; nhưng tỷ lệ chất kết dính quá thấp và độ bám dính của vật liệu không đủ.
Tiêu chí trực quan để đo lường hiệu quả của chất kết dính là tác dụng đầu tiên của pin (tỷ lệ năng lượng pin trong dung lượng thiết kế khi được sạc và xả lần đầu tiên). Một kỹ sư đã tháo rời pin 4680 cho biết, mẫu pin của Tesla hồi giữa năm nay đã đạt được hiệu suất đầu tiên là 88%, trong khi các hãng pin khác tham gia dự án chỉ có thể đạt được 85% chứ chưa đạt được đại trà. sản xuất. Mức pin. Hiện tại, hiệu suất đầu tiên của pin điện chính đã vượt quá 92%.
Ông nói: “Dựa trên hiệu ứng đầu tiên này, pin 4680 của Tesla có thể được sạc hơn 1.000 lần, nhưng các loại pin phổ thông hiện nay có thể được sạc hơn 2.500 lần”.
Nghiên cứu và phát triển vật liệu mới chỉ giải quyết được khoảng 20% vấn đề sản xuất hàng loạt, tiếp theo là nghiên cứu và phát triển thiết bị.
Thiết bị điện cực khô đòi hỏi lực thích hợp để cuộn chất kết dính trong vật liệu sang trạng thái sợi thích hợp. Trong môi trường phòng thí nghiệm, điều này rất đơn giản. Nhưng sản xuất hàng loạt đòi hỏi thiết bị có thể xử lý toàn bộ công việc một cách liên tục và chính xác.
Việc lăn cần tiến hành nhiều lần, nếu chỉ ấn một lần sẽ không đủ không gian vận hành để điều chỉnh các thông số của thiết bị. Trong bằng sáng chế do Tesla tiết lộ, ba con lăn được sử dụng để thực hiện hành động lăn trong hai lần. Nhưng một người thân cận với nhà cung cấp thiết bị cho biết Tesla sau đó đã tăng số lượng con lăn trên thiết bị lăn lên bảy con lăn.
Thiết bị điện cực khô hiện đang được sử dụng trong công nghiệp.
Ngày càng có nhiều con lăn thực sự đã nâng cao giới hạn độ chính xác trên, nhưng chúng cũng làm tăng độ khó của việc gỡ lỗi, mỗi khi con lăn trước được điều chỉnh, các thông số của tất cả các con lăn tiếp theo sẽ thay đổi.
Tesla, người thường có những ý tưởng xuất sắc trong lĩnh vực sản xuất và dám thử sức, lại phải rơi vào một vòng luẩn quẩn kém hiệu quả như vậy. Không có lối tắt nào để gỡ lỗi thiết bị và quy trình, nó đòi hỏi phải thử đi thử lại. Và nó thường ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể, và việc thay đổi một vùng đòi hỏi phải điều chỉnh nhiều liên kết. Việc loại bỏ “liên kết phụ” làm ướt vật liệu điện cực dương và âm rồi làm khô chúng khó khăn hơn nhiều so với những gì Musk tưởng tượng ban đầu.
Cách tiếp cận của Tesla là thiết kế thiết bị của riêng mình và sau đó tìm một công ty thiết bị pin lithium để sản xuất OEM nhằm giúp khắc phục một số vấn đề về thiết bị.
Một nhà cung cấp thiết bị đã liên hệ với Tesla cho biết Tesla sẽ cung cấp bản vẽ cốt lõi của thiết bị và hạn chế các nhà cung cấp sửa đổi thiết kế. “Kết quả cuối cùng là các kỹ sư thiết bị không hiểu quy trình, người Tesla không hiểu thiết bị, còn các nhà cung cấp thiết bị mất nhiều thời gian để chế tạo ra những thiết bị có thể sử dụng được nhưng vẫn không đáp ứng được yêu cầu của Tesla”, ông nói.
Vào năm 2021, Tesla đã tìm thấy một số nhà cung cấp thiết bị pin để sản xuất thiết bị và một số giải pháp thiết bị hiện đã bị loại bỏ. "LatePost" được biết một nhà cung cấp thiết bị pin lithium hàng đầu từng cung cấp cho Tesla toàn bộ thiết bị dây chuyền sản xuất pin 4680 và cử một đội kỹ thuật gồm gần 50 người đến Texas để hỗ trợ Tesla tối ưu hóa dây chuyền sản xuất.
Một khó khăn khác với thiết bị sản xuất là máy hàn.
Vấu pin ban đầu chỉ có một mảnh nhỏ, nhưng pin 4680 sử dụng thiết kế vấu đầy đủ và diện tích vấu cần hàn tăng lên theo cấp số nhân. Diện tích hàn càng lớn thì càng dễ mắc lỗi. Nếu máy hàn xuất ra quá nhiều năng lượng thì mối hàn sẽ xuyên qua vấu cực, nếu năng lượng không đủ thì mối hàn sẽ không bền, cả hai trường hợp đều bị hỏng ắc quy.
"Tesla vẫn chưa xác định rõ ràng hiệu ứng hàn là gì cho đến năm nay. Tesla đang đổi mới từ gốc, nhưng họ không chắc chắn về chi tiết thực hiện nên bỏ tiền ra để tìm người giúp thực hiện ước mơ", một nhà cung cấp thiết bị cho biết Tesla không cung cấp giải pháp kiểm soát hàn tab tốt hơn. Ngoài ra, Tesla cũng gặp phải những thách thức về năng suất ở các khía cạnh như niêm phong bằng laser.
Đến cuối năm ngoái, hiệu suất sản xuất pin 4680 của Tesla chỉ đạt 92%. Theo tính toán của ngành pin, tỷ lệ hiệu suất của pin 4680 phải vượt quá 95% để giảm chi phí và đạt được mục đích sử dụng thương mại.
Hiệu suất của dây chuyền sản xuất Tesla cũng còn lâu mới đạt được kỳ vọng của ngành. Một nhà sản xuất thiết bị cho biết, đầu năm nay, hiệu suất sản xuất pin 4680 của Tesla là khoảng 85 cell/phút, trước đó ngành tin rằng giới hạn trên của hiệu suất pin 4680 là 350 cell/phút.
Khi dây chuyền sản xuất của Tesla chạy với tốc độ nhanh hơn, những thách thức về kiểm soát chất lượng trong quy trình sản xuất sẽ tiếp tục nảy sinh.
"Ngay cả khi bạn bỏ qua dù chỉ 0,001% bụi và mảnh vụn, những thứ này có thể gây đoản mạch trong pin và môi trường phòng thí nghiệm sẽ không khuếch đại được những khả năng tinh vi, nhưng nhà máy thì có. Bạn sẽ tìm ra những cách mới để làm hỏng tất cả các khả năng đó", trưởng Dự án Pin Tesla Drew Baglino cho biết tại ngày đầu tư vào tháng 3 năm nay.
Hiện tại, kế hoạch sản xuất pin 4680 của Tesla vẫn chưa được chốt. "Vấn đề không chỉ nằm ở khâu sản xuất mà còn ở việc sửa đổi thiết kế. Thường thì phiên bản tiếp theo phải được khởi động trước khi một quy trình hoàn tất", một kỹ sư của Tesla nói với LatePost.
Theo ước tính của những người trong ngành, nếu bạn không kiên quyết sử dụng điện cực khô, pin 4680 cũng có thể giảm giá thành của Model Y khoảng 8%, đồng nghĩa với việc giảm giá thành pin khoảng 20%. Dù đây chưa bằng một nửa mục tiêu của Musk nhưng đây là một thành tựu đáng nể trong ngành pin điện, Panasonic và CATL sẽ phải mất ít nhất 3 năm mới đạt được kết quả giảm chi phí tương tự.
Tesla nhất quyết phát triển quy trình điện cực khô, thậm chí trì hoãn việc giao xe Cbyertruck và ô tô thế hệ tiếp theo. Trong tầm nhìn của Musk, pin 4680 sẽ không chỉ phục vụ doanh số hàng năm hiện tại là 2 triệu xe của Tesla mà còn hỗ trợ doanh số 20 triệu xe hàng năm trong tương lai.
Chỉ những loại pin rẻ hơn mới có thể hỗ trợ mục tiêu xây dựng một mẫu xe giá rẻ trị giá 25.000 USD của Tesla. Vào tháng 3 năm nay, Tesla đã hoàn thành việc nghiên cứu và phát triển mô hình, đồng thời tạo ra bước đột phá trong công nghệ đúc khuôn tích hợp quy mô lớn hơn. Pin 4680 là trở ngại cuối cùng.
Trong ngành công nghiệp ô tô, chỉ có Tesla đầu tư trước vào công nghệ bằng mọi giá và gắn việc mở rộng kinh doanh của mình với những đột phá về công nghệ. Cả lợi ích và rủi ro đều được phóng đại.
Những thành công trước đây và những khó khăn hiện tại của Tesla đều bắt nguồn từ phương pháp bắt nguồn từ những nguyên tắc đầu tiên: từ bỏ các quy ước trong ngành, đặt câu hỏi về các yêu cầu ban đầu và suy nghĩ lại cách thực hiện điều gì đó dựa trên nền tảng vật lý thiết yếu nhất.
Tình huống mà phương pháp này phát huy tác dụng thường là khi Tesla muốn thách thức và phá bỏ những thói quen hoặc thói quen cũ được hình thành ở một giai đoạn công nghệ nhất định, và giờ đây có những công nghệ mới có thể phá vỡ những hạn chế trước đó. Musk nhạy bén nhìn thấy những hạn chế trong quá khứ không còn tồn tại, xuyên thủng “sự bất khả thi” vô hình trong tâm trí các chuyên gia cấp cao và tìm ra giải pháp.
Điều này đòi hỏi trực giác và khả năng phán đoán kỹ thuật. Nhưng thật khó để Musk hay bất kỳ cá nhân nào có thể đánh giá một cách khách quan và toàn diện về trình độ công nghệ, kỹ thuật tổng thể của một thời kỳ.
Trong một số trường hợp, ý tưởng của Musk chỉ tìm được sự hỗ trợ về mặt kỹ thuật và kỹ thuật: khi ông nghĩ đến việc đúc khuôn tích hợp từ sản xuất đồ chơi, tình cờ trên trái đất có một công ty có thể chế tạo được chiếc máy đúc khuôn nặng 6.000 tấn - Lijin.
Giải pháp đẩy song song 33 động cơ được SpaceX sử dụng cũng là ý tưởng được các nhà khoa học Liên Xô cũ thử nghiệm nhưng thất bại vào những năm 1970. Các động cơ tên lửa sẽ tương tác với nhau khi đẩy dòng chảy và các cài đặt động cơ cần được điều chỉnh theo thời gian thực. Máy tính vào thời điểm đó không thể điều khiển được nhiều động cơ như vậy cùng một lúc. Đến năm 2023, khi SpaceX thực hiện ý tưởng này, sức mạnh tính toán và thuật toán của máy tính sẽ có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp – sức mạnh tính toán của chip AI phổ thông gấp 1 tỷ lần so với 50 năm trước.
Trong mỗi ví dụ này, Elon Musk đều quay lại từ đầu và suy nghĩ lại những thói quen đã được chấp nhận mà không cần suy nghĩ trong nhiều năm. Trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ lâu đời, các nhà sản xuất lớn ngày này qua ngày khác theo đuổi hiệu quả sản xuất cao nhất cùng với các quy trình sản xuất đã được thiết lập và rất khó để có nhận thức hoặc không gian để suy nghĩ sáng tạo.
Hạn chế của những nguyên tắc đầu tiên là chúng không thể vượt qua những giới hạn của thời đại. Khi các mục tiêu của Tesla không thể đạt được bằng công nghệ hiện tại, hãng sẽ phải đầu tư một lượng lớn thời gian và tiền bạc để đạt được tiến độ chậm rãi.
Tesla đã vấp ngã khi sản xuất hàng loạt Model 3 vào năm 2017: Musk lúc đó tin rằng nhân lực có thể được thay thế hoàn toàn bằng cánh tay robot, điều tất yếu trong ngành sản xuất. Nhưng ông đã đánh giá quá cao trình độ của toàn bộ công nghệ tự động hóa, cánh tay robot thậm chí còn không thể thực hiện những công việc chải dây đơn giản. Tesla ngay lập tức rơi vào địa ngục sản xuất, còn Musk cuối cùng cũng thoát khỏi khủng hoảng bằng cách gọi công nhân quay lại nhà máy.
Sản xuất pin cũng là một lĩnh vực như vậy: nó bao gồm các nhiệm vụ đa ngành và phức tạp, các quá trình này đan xen và ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể. “Phủ phủ vật liệu điện cực dương và âm ướt rồi sấy khô” là bước mà ban đầu Musk cho là không cần thiết. Nhưng việc xóa bỏ liên kết này đòi hỏi phải đảo ngược toàn bộ quá trình từ trộn, phủ, cắt bế đến sấy khô.
Ngay cả khi Tesla có thể hoàn thành quy trình trên trong phòng thí nghiệm, hãng vẫn sẽ phải giải quyết hai vấn đề tương hỗ lẫn nhau là sản xuất hàng loạt và thương mại hóa. Một triệu xe điện tương ứng với hơn một tỷ tế bào, đòi hỏi phải lặp lại quy trình sản xuất hàng tỷ lần trên cùng một bộ thiết bị, đạt được mức năng suất cơ bản nhất định và kiểm soát chi phí.
Nhiều người trong ngành dự đoán Tesla sẽ sản xuất hàng loạt 4680 cục pin vào năm 2025, nhưng hiệu suất của phiên bản sản xuất hàng loạt cuối cùng sẽ giảm đáng kể so với phiên bản ra mắt năm 2020. Mật độ năng lượng của pin 4680 do Tesla sản xuất hiện chỉ là 265Wh/kg, thấp hơn gần 20% so với dự báo của ngành là 330Wh/kg. Phạm vi hoạt động tối đa của Cybertruck được trang bị bộ pin này chỉ là 547 km, thấp hơn rất nhiều so với mục tiêu trước đó là 800 km.
Kể từ khi ra mắt pin 4680, Tesla mới chỉ đạt được 1/3 mục tiêu ban đầu trong 3 năm, hãng sản xuất hàng loạt cực dương than chì quy trình khô với quy trình đơn giản hơn, nhưng vẫn còn những cực dương và cực âm silicon quy trình khô khó khăn hơn .
Dưới góc độ cạnh tranh kinh doanh tàn khốc: chậm, đôi khi không thể chấp nhận được. Nhịp điệu sản phẩm của Tesla đã bị gián đoạn. Vào thời điểm mà việc theo đuổi chiến thắng là quan trọng nhất, những chiếc xe mới của Tesla đã hết hàng trong vài năm.
Từ góc độ phát triển công nghệ, Tesla đã tìm ra hướng đi cho toàn ngành: pin 4680 đã thống nhất tiêu chuẩn kích thước của pin điện hình trụ lớn; hiện tại, những gã khổng lồ về pin như CATL cũng đã bắt đầu khám phá quy trình điện cực khô và kết hợp quy trình này mở rộng sang bộ tách pin và các thành phần khác. Pin 4680 có thể đang thúc đẩy một cuộc cách mạng công nghệ trong sản xuất pin điện.
Tỉ phú Elon Musk đã công bố một tầm nhìn lớn vào năm 2006: chế tạo các loại xe điện ngày càng rẻ hơn để thay thế các phương tiện chạy bằng nhiên liệu và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng bền vững của thế giới.
Pin Tesla 4680 được ra đời vào năm 2020, sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển của Tesla. Pin này có kích thước lớn hơn so với các loại pin truyền thống, với đường kính 46 mm và chiều cao 80 mm. Điều này giúp tăng mật độ năng lượng của pin lên khoảng 50%, đồng thời giảm chi phí sản xuất.
Pin 4680 sử dụng một số công nghệ mới, bao gồm:
Cấu trúc điện cực không có tab: Tab là các thanh kim loại được sử dụng để nối hai cực của pin. Trong pin 4680, các tab được thay thế bằng một lớp dẫn điện được phủ trên bề mặt của điện cực. Điều này giúp tăng cường khả năng truyền điện và giảm tổn thất năng lượng.
Công nghệ sản xuất mới: Tesla đã phát triển một số công nghệ sản xuất mới để sản xuất pin 4680 với chi phí thấp hơn. Các công nghệ này bao gồm:
- Sử dụng máy in 3D để sản xuất các thành phần của pin
- Sử dụng robot để lắp ráp pin
Vào nửa cuối năm nay, Tesla bắt đầu tìm đến các công ty pin Trung Quốc để OEM các mảnh cột pin để đáp ứng yêu cầu sản xuất. Đến quý 2 năm sau, Panasonic sẽ bắt đầu cung cấp pin cho Tesla tuy nhiên năng lực sản xuất sẽ chỉ đủ tải khoảng 60.000 xe.
Từ Roadster đến Model 3, rồi đến Model Y, Tesla đã sử dụng tư duy "nguyên tắc đầu tiên" trên nhiều thế hệ mẫu xe mới: tức là xem xét lại những quy ước và khuôn mẫu mà hầu hết mọi người đã quen thuộc, đồng thời truy ngược nguồn gốc để phân tích liệu chúng có hợp lý hay không, rồi bắt đầu từ những nguyên lý vật lý để tìm ra những giải pháp mới, đơn giản hơn và rẻ hơn nhằm hoàn thành những mục tiêu mà các chuyên gia trong ngành cho là không thể. Pin 4680 là sự tiếp nối của phương pháp này.
Cuốn Tiểu sử của Musk mô tả nhiều lần quá trình nắm bắt những nguyên tắc đầu tiên. Khi chế tạo tên lửa SpaceX, Musk đã thách thức chính quyền và đề xuất thay thế sợi carbon bằng thép không gỉ rẻ hơn để chế tạo tên lửa, cuối cùng ông chỉ bỏ ra 2% chi phí cho chương trình hạ cánh lên mặt trăng của NASA để chế tạo Starship có thể bay vào vũ trụ.
Tesla và các công ty công nghệ khác do Musk điều hành dường như luôn có thể tìm ra những cách mới để sử dụng những nguyên tắc đầu tiên, chứng minh sự hiểu biết thông thường là sai và hết lần này đến lần khác đạt được vị thế dẫn đầu về công nghệ.
Nhưng cách tiếp cận của Tesla gặp trở ngại khi đề cập đến pin 4680. Loại pin này quyết định công suất sản xuất và giá thành của ô tô thế hệ tiếp theo của Tesla, đồng thời thời gian sản xuất hàng loạt cũng như hiệu suất đều chưa đạt được mục tiêu khi mới ra mắt. Đây là mặt khác của nguyên tắc đầu tiên được nhiều công ty coi như báu vật trong những năm gần đây: khi gặp phải những đổi mới phức tạp, việc bắt đầu lại từ nguyên tắc và bắt đầu lại thường chỉ là điểm khởi đầu của một hành trình khó khăn.
Tái tạo lại ắc quy với "chỉ số ngu ngốc"
Elon Musk đã đề xuất một "chỉ số ngu ngốc": chia giá của một bộ phận cho chi phí nguyên liệu thô cần thiết cho bộ phận đó. Con số này càng lớn thì thành phần càng "ngu ngốc", hoặc có quá nhiều liên kết trung gian hoặc hiệu quả sản xuất quá thấp.Bất cứ khi nào gặp phải linh kiện có chỉ số ngu ngốc quá cao, Tesla sẽ suy nghĩ lại quy trình và đổi mới phương pháp sản xuất để giảm chi phí và đưa chỉ số về "1" nhiều nhất có thể. Musk tìm cách làm cho chi phí sản xuất một chiếc ô tô gần bằng tổng chi phí của thép, nhôm, silicon, lithium và các vật liệu khác được sử dụng trong ô tô.
Năm 2007, sau khi Musk kiểm tra giá nguyên liệu pin trên Sàn giao dịch kim loại Luân Đôn, ông tính toán rằng "chỉ số ngu ngốc" của pin là 7: Vào thời điểm đó, chi phí của lithium, coban, niken và các vật liệu khác trên mỗi watt-giờ của pin chỉ có 82 USD nhưng giá bán của pin lithium lại lên tới hơn 600 USD, con số này là kết quả 20 năm làm việc chăm chỉ của các hãng pin như Sony và Panasonic.
Tesla thành lập liên doanh với Panasonic vào năm 2014 để xây dựng siêu nhà máy sản xuất pin, với hy vọng giảm chi phí pin. Nhưng đến năm 2020, "chỉ số ngu ngốc" của pin lithium vẫn là 2, và chỉ số ngu ngốc thực tế của toàn bộ xe lúc đó chỉ dưới 1,5. Tesla vẫn phải bán chiếc xe với giá 40.000 USD (giá bán Model 3, khoảng 971 triệu) để duy trì lợi nhuận gộp, điều mà Musk cho rằng chưa đủ rẻ.
Cũng trong năm 2020, Tesla thông báo sẽ phát triển và sản xuất xe điện giá rẻ có giá khoảng 25.000 USD để thâm nhập thị trường ô tô phổ thông hơn và cạnh tranh với các mẫu xe bán chạy nhất như Toyota Corolla.
Hỗ trợ mục tiêu này là một kế hoạch giảm chi phí pin hoàn chỉnh. Từ năm 2018, Tesla đã thành lập nhóm dự án có mật danh “Roadrunner” và bắt đầu lên kế hoạch tự nghiên cứu, sản xuất pin.
Ý nghĩa ban đầu của tư duy theo nguyên tắc đầu tiên là đặt câu hỏi về mọi thứ bạn có thể cho đến khi chỉ còn lại những sự kiện và nguyên tắc cơ bản. Quy luật làm việc đầu tiên của Tesla là: “Hãy đặt câu hỏi cho mọi yêu cầu”.
Nhìn vào việc sản xuất pin từ góc độ này, Tesla đã thay đổi kích thước của pin hình trụ với mục tiêu giảm chi phí, đơn giản hóa quy trình sản xuất và sấy khô ướt phức tạp đã kéo dài hàng thập kỷ, đồng thời thiết kế pin và quy trình sản xuất mới.
Tesla lựa chọn cấu trúc hình trụ lớn: tăng kích thước của pin hình trụ từ đường kính 21 mm và dài 70 mm lên đường kính 46 mm và dài 80 mm, đây chính là nguồn gốc của cái tên pin 4680. Cấu trúc hình trụ lớn hơn có thể làm tăng tỷ lệ vật liệu năng lượng trong một pin, do đó làm tăng mật độ năng lượng của pin.
Thiết kế này có tính đến hiệu quả và chi phí sản xuất. Hiện nay, pin năng lượng phổ biến được chia thành pin hình trụ và pin lăng trụ. Các vật thể hình trụ chạy nhanh hơn trong dây chuyền lắp ráp so với các vật thể hình vuông. Đầu pin hình lăng trụ CATL có thể tạo ra 25 tế bào mỗi phút, trong khi đầu pin hình trụ Panasonic có thể tạo ra 360 tế bào mỗi phút. Nhược điểm của pin hình trụ là khi đóng gói dưới dạng pin sẽ có khoảng trống giữa các trụ và tỷ lệ tận dụng không gian sẽ thấp hơn so với pin vuông.
Xi lanh lớn có thể làm giảm đáng kể khoảng cách. Giám đốc R&D của một hãng ắc quy cho biết, việc kiểm soát đường kính ắc quy hình trụ cho xe ô tô đến 45-50 mm có thể cân bằng tốt nhất dung lượng ắc quy và việc tận dụng không gian, nếu kích thước lớn hơn thì độ khó xử lý sẽ tăng lên và việc tận dụng không gian cũng sẽ tăng lên. được cải thiện sẽ trở nên ít hơn.
“Tăng kích thước” tưởng chừng như là một thay đổi nhỏ nhưng thực chất nó sẽ mang lại hàng loạt cải tiến trái ngược nhau. Chỉ bằng cách làm cho pin lớn hơn, các tab, tức là bộ phận dẫn điện kết nối các mạch bên trong và bên ngoài của pin, sẽ phải chịu nhiều dòng điện hơn, điều này sẽ khiến nhiệt thoát ra dễ dàng hơn và tăng rủi ro về an toàn.
"Vì tai cậu không nghe lời nên hãy vứt nó đi", Musk nói. Tesla sau đó đã loại bỏ các tab pin và thay vào đó sử dụng toàn bộ đáy và vỏ pin để làm tab. Đây là quá trình "tất cả cực" (còn được gọi là "không cực"), có thể tăng tốc độ sạc pin và cho phép pin dễ dàng tản nhiệt hơn - Vỏ pin có kích thước lớn hơn so với các tab nhỏ nhô ra ban đầu giúp tản nhiệt dễ dàng hơn.
Các công ty sản xuất pin đã sử dụng quy trình ướt trong 30 năm qua. Họ trộn vật liệu pin với chất kết dính độc hại, dung môi lỏng rồi dán chúng thành những lá mỏng. Các mảnh cột đã qua xử lý cần được nung trong lò dài 100 mét ở nhiệt độ 90 độ trong 12 giờ, trong quá trình này, dung môi độc hại và hơi ẩm sẽ bay hơi hoàn toàn - toàn bộ quá trình làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.
Tesla tin rằng quy trình ướt không hiệu quả: vì các mảnh cột phải được làm "khô", tại sao các mảnh cột phải được làm ướt trước rồi mới sấy khô? Musk cho rằng đây là phần ngu ngốc trong việc sản xuất pin. Chi phí thiết bị, nhân công và xây dựng nhà xưởng của lớp phủ ướt chiếm 22,76% trong toàn bộ quá trình sản xuất pin.
Vào tháng 2 năm 2019, Tesla đã chi 219 triệu USD để mua công ty siêu tụ điện Maxwell (thiết bị lưu trữ năng lượng điện dùng trong đèn flash máy ảnh và các lĩnh vực khác), đồng thời chuyển quy trình điện cực khô của siêu tụ điện sang pin lithium, trực tiếp thêm các mảnh cực làm khô.
Các điện cực khô không sử dụng chất kết dính lỏng và do đó không cần phải nung, khiến chúng về mặt lý thuyết rẻ hơn, nhanh hơn và ít gây hại cho môi trường hơn. Musk cho biết, chỉ dựa vào quy trình này, Tesla có thể giảm 1/3 chi phí thiết bị trên mỗi đơn vị công suất sản xuất, đồng thời giảm 90% diện tích sàn và mức tiêu thụ năng lượng của xưởng sản xuất điện cực.
Chi phí thiết bị hiện tại cho dây chuyền sản xuất pin hình lăng trụ là khoảng 25,5 triệu đô trong khi chi phí thiết bị cho dây chuyền sản xuất pin 4680 chỉ bằng chưa đến 1/3.
Tesla cũng hy vọng sẽ đẩy nhanh tốc độ dây chuyền lắp ráp pin để nâng cao hiệu quả sản xuất. Musk ghen tị với tính liên tục và hiệu quả cực cao của ngành sản xuất bia, đồ uống khác và ngành giấy: Khi sản xuất bia, không có điểm dừng nào trong dây chuyền sản xuất, các chai bia sẽ không rời khỏi dây chuyền sản xuất cho đến khi chúng được đóng nắp. Sau khi một số bộ phận của pin được sản xuất, chúng thường phải tạm thời rời khỏi dây chuyền sản xuất, vận chuyển đến xưởng tiếp theo bằng xe đẩy, sau đó quay trở lại dây chuyền lắp ráp. Dây chuyền sản xuất pin nhanh nhất hiện nay vận hành với tốc độ 6 km/h, trong khi dây chuyền sản xuất bia nhanh nhất có thể đạt tốc độ 30 km/h.
Để đạt được mục tiêu này, Tesla đã hợp nhất đáng kể quy trình sản xuất pin và phát triển thiết bị tích hợp nhiều quy trình. Ví dụ, vào năm 2021, Tesla đã ra mắt chiếc máy ba trong một để cắt, cuộn dây và hàn tại nhà máy ở Berlin. Những nhiệm vụ này ban đầu yêu cầu ba phần thiết bị khác nhau để hoàn thành.
Theo Musk vào năm 2020, toàn bộ giải pháp pin 4680 có thể giảm chi phí sản xuất pin khoảng 20%, chi phí đầu tư thiết bị khoảng 35% và diện tích sàn nhà máy khoảng 70%.
Vào thời điểm đó, Tesla coi pin 4680 là cơ sở cho việc mở rộng quy mô lớn: sử dụng các nhà máy sản xuất pin với mức đầu tư ít hơn để sản xuất pin lưu trữ năng lượng và pin ô tô, sau đó sử dụng pin rẻ hơn để sản xuất các mẫu giá rẻ có giá 25.000 USD nhằm kích thích doanh số bán hàng và tăng doanh thu. Kiếm thêm lợi nhuận rồi đầu tư vào nghiên cứu phát triển cũng như một đợt mở rộng năng lực sản xuất mới để hình thành bánh đà tăng trưởng và giúp Tesla đạt được mục tiêu đầy tham vọng là bán được 20 triệu xe mỗi năm vào năm 2030.
Thiết kế hoàn hảo, chế tạo khó
Làm cho pin lớn hơn và loại bỏ "cái ngu" là làm ướt động cơ rồi sấy khô. Những cải tiến rõ ràng này chưa bao giờ được thực hiện trong ngành pin trong vài thập kỷ qua vì gặp nhiều khó khăn.Vấn đề đầu tiên là chuyển đổi quá trình.
Quy trình sản xuất ô tô tương đối ngắn, yêu cầu thấp về độ chính xác và kiểm soát môi trường, nhiệm vụ chính của sản xuất ô tô là lắp ráp thành phẩm, việc cải tiến một quy trình lắp ráp hiếm khi ảnh hưởng đến quy trình trước đó và các quy trình tiếp theo. Sản xuất pin là việc biến vật liệu thành sản phẩm hoàn chỉnh, quy trình này liên quan chặt chẽ hơn, sản phẩm hoàn thiện của quy trình trước là nguyên liệu thô cho quy trình tiếp theo. Cải tiến một quy trình có nghĩa là sửa đổi các quy trình trước đó và tiếp theo.
Để sử dụng công nghệ điện cực khô và loại bỏ các công đoạn như sấy, Tesla cần thực hiện tất cả các liên kết trước khi sấy “khô”. Điều này chiếm 50% toàn bộ quy trình sản xuất pin và việc kiểm soát môi trường cũng như độ chính xác cao hơn nhiều so với các quy trình khác.
Cốt lõi của điện cực ướt là lớp phủ. Nhiệm vụ của nó giống như phết bơ, bôi đều các vật liệu dương và âm giống như bột nhão bằng chất kết dính lên lá kim loại và độ dày của ứng dụng thường chỉ là 30 micron. Các công ty pin như CATL cam kết tăng tốc độ phủ và hiện có thể phủ 100 mét mỗi phút. Tốc độ phủ càng nhanh thì việc kiểm soát chất lượng càng khó khăn. Đằng sau những cải tiến tinh tế là kinh nghiệm thu được từ hàng tỷ lần thử.
Điện cực khô cũng cần gắn vật liệu điện cực dương và âm vào lá kim loại, tuy nhiên vật liệu điện cực dương và âm là bột khô, độ bám dính yếu, không giống như phết kem mà giống rải cát hơn, đồng thời nó cũng theo đuổi tính đồng nhất và tốc độ.
Để trải đều cát và bám dính chắc chắn, Tesla đã phát triển một chất kết dính mới.
Vào năm 2020, Tesla đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho chất kết dính điện cực khô, cải tiến chất kết dính PVDF ban đầu được sử dụng trong pin lithium. Ở cấp độ vi mô, chất kết dính mới trở nên dạng sợi khi cuộn lại, giống như một mạng nhện. Điều này làm cho việc chà nhám trở thành một bề mặt phẳng “giống như chà nhám một viên kẹo dẻo”, một chuyên gia về xử lý điện cực khô cho biết.
Nhưng vào thời điểm đó, Tesla không biết cần trộn bao nhiêu chất kết dính vào vật liệu điện cực dương và âm: nếu tỷ lệ chất kết dính cao thì sẽ có ít vật liệu mang năng lượng hơn trong pin, mật độ năng lượng sẽ thấp hơn và chất kết dính sẽ cản trở dòng ion lithium trong pin, điều này sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin; nhưng tỷ lệ chất kết dính quá thấp và độ bám dính của vật liệu không đủ.
Tiêu chí trực quan để đo lường hiệu quả của chất kết dính là tác dụng đầu tiên của pin (tỷ lệ năng lượng pin trong dung lượng thiết kế khi được sạc và xả lần đầu tiên). Một kỹ sư đã tháo rời pin 4680 cho biết, mẫu pin của Tesla hồi giữa năm nay đã đạt được hiệu suất đầu tiên là 88%, trong khi các hãng pin khác tham gia dự án chỉ có thể đạt được 85% chứ chưa đạt được đại trà. sản xuất. Mức pin. Hiện tại, hiệu suất đầu tiên của pin điện chính đã vượt quá 92%.
Ông nói: “Dựa trên hiệu ứng đầu tiên này, pin 4680 của Tesla có thể được sạc hơn 1.000 lần, nhưng các loại pin phổ thông hiện nay có thể được sạc hơn 2.500 lần”.
Nghiên cứu và phát triển vật liệu mới chỉ giải quyết được khoảng 20% vấn đề sản xuất hàng loạt, tiếp theo là nghiên cứu và phát triển thiết bị.
Thiết bị điện cực khô đòi hỏi lực thích hợp để cuộn chất kết dính trong vật liệu sang trạng thái sợi thích hợp. Trong môi trường phòng thí nghiệm, điều này rất đơn giản. Nhưng sản xuất hàng loạt đòi hỏi thiết bị có thể xử lý toàn bộ công việc một cách liên tục và chính xác.
Việc lăn cần tiến hành nhiều lần, nếu chỉ ấn một lần sẽ không đủ không gian vận hành để điều chỉnh các thông số của thiết bị. Trong bằng sáng chế do Tesla tiết lộ, ba con lăn được sử dụng để thực hiện hành động lăn trong hai lần. Nhưng một người thân cận với nhà cung cấp thiết bị cho biết Tesla sau đó đã tăng số lượng con lăn trên thiết bị lăn lên bảy con lăn.
Ngày càng có nhiều con lăn thực sự đã nâng cao giới hạn độ chính xác trên, nhưng chúng cũng làm tăng độ khó của việc gỡ lỗi, mỗi khi con lăn trước được điều chỉnh, các thông số của tất cả các con lăn tiếp theo sẽ thay đổi.
Tesla, người thường có những ý tưởng xuất sắc trong lĩnh vực sản xuất và dám thử sức, lại phải rơi vào một vòng luẩn quẩn kém hiệu quả như vậy. Không có lối tắt nào để gỡ lỗi thiết bị và quy trình, nó đòi hỏi phải thử đi thử lại. Và nó thường ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể, và việc thay đổi một vùng đòi hỏi phải điều chỉnh nhiều liên kết. Việc loại bỏ “liên kết phụ” làm ướt vật liệu điện cực dương và âm rồi làm khô chúng khó khăn hơn nhiều so với những gì Musk tưởng tượng ban đầu.
Cách tiếp cận của Tesla là thiết kế thiết bị của riêng mình và sau đó tìm một công ty thiết bị pin lithium để sản xuất OEM nhằm giúp khắc phục một số vấn đề về thiết bị.
Một nhà cung cấp thiết bị đã liên hệ với Tesla cho biết Tesla sẽ cung cấp bản vẽ cốt lõi của thiết bị và hạn chế các nhà cung cấp sửa đổi thiết kế. “Kết quả cuối cùng là các kỹ sư thiết bị không hiểu quy trình, người Tesla không hiểu thiết bị, còn các nhà cung cấp thiết bị mất nhiều thời gian để chế tạo ra những thiết bị có thể sử dụng được nhưng vẫn không đáp ứng được yêu cầu của Tesla”, ông nói.
Vào năm 2021, Tesla đã tìm thấy một số nhà cung cấp thiết bị pin để sản xuất thiết bị và một số giải pháp thiết bị hiện đã bị loại bỏ. "LatePost" được biết một nhà cung cấp thiết bị pin lithium hàng đầu từng cung cấp cho Tesla toàn bộ thiết bị dây chuyền sản xuất pin 4680 và cử một đội kỹ thuật gồm gần 50 người đến Texas để hỗ trợ Tesla tối ưu hóa dây chuyền sản xuất.
Một khó khăn khác với thiết bị sản xuất là máy hàn.
Vấu pin ban đầu chỉ có một mảnh nhỏ, nhưng pin 4680 sử dụng thiết kế vấu đầy đủ và diện tích vấu cần hàn tăng lên theo cấp số nhân. Diện tích hàn càng lớn thì càng dễ mắc lỗi. Nếu máy hàn xuất ra quá nhiều năng lượng thì mối hàn sẽ xuyên qua vấu cực, nếu năng lượng không đủ thì mối hàn sẽ không bền, cả hai trường hợp đều bị hỏng ắc quy.
"Tesla vẫn chưa xác định rõ ràng hiệu ứng hàn là gì cho đến năm nay. Tesla đang đổi mới từ gốc, nhưng họ không chắc chắn về chi tiết thực hiện nên bỏ tiền ra để tìm người giúp thực hiện ước mơ", một nhà cung cấp thiết bị cho biết Tesla không cung cấp giải pháp kiểm soát hàn tab tốt hơn. Ngoài ra, Tesla cũng gặp phải những thách thức về năng suất ở các khía cạnh như niêm phong bằng laser.
Đến cuối năm ngoái, hiệu suất sản xuất pin 4680 của Tesla chỉ đạt 92%. Theo tính toán của ngành pin, tỷ lệ hiệu suất của pin 4680 phải vượt quá 95% để giảm chi phí và đạt được mục đích sử dụng thương mại.
Hiệu suất của dây chuyền sản xuất Tesla cũng còn lâu mới đạt được kỳ vọng của ngành. Một nhà sản xuất thiết bị cho biết, đầu năm nay, hiệu suất sản xuất pin 4680 của Tesla là khoảng 85 cell/phút, trước đó ngành tin rằng giới hạn trên của hiệu suất pin 4680 là 350 cell/phút.
Khi dây chuyền sản xuất của Tesla chạy với tốc độ nhanh hơn, những thách thức về kiểm soát chất lượng trong quy trình sản xuất sẽ tiếp tục nảy sinh.
"Ngay cả khi bạn bỏ qua dù chỉ 0,001% bụi và mảnh vụn, những thứ này có thể gây đoản mạch trong pin và môi trường phòng thí nghiệm sẽ không khuếch đại được những khả năng tinh vi, nhưng nhà máy thì có. Bạn sẽ tìm ra những cách mới để làm hỏng tất cả các khả năng đó", trưởng Dự án Pin Tesla Drew Baglino cho biết tại ngày đầu tư vào tháng 3 năm nay.
Hiện tại, kế hoạch sản xuất pin 4680 của Tesla vẫn chưa được chốt. "Vấn đề không chỉ nằm ở khâu sản xuất mà còn ở việc sửa đổi thiết kế. Thường thì phiên bản tiếp theo phải được khởi động trước khi một quy trình hoàn tất", một kỹ sư của Tesla nói với LatePost.
Chỉ có Tesla mới dám chế tạo pin như thế này
Tesla nhất quyết phát triển quy trình điện cực khô, thậm chí trì hoãn việc giao xe Cbyertruck và ô tô thế hệ tiếp theo. Trong tầm nhìn của Musk, pin 4680 sẽ không chỉ phục vụ doanh số hàng năm hiện tại là 2 triệu xe của Tesla mà còn hỗ trợ doanh số 20 triệu xe hàng năm trong tương lai.
Chỉ những loại pin rẻ hơn mới có thể hỗ trợ mục tiêu xây dựng một mẫu xe giá rẻ trị giá 25.000 USD của Tesla. Vào tháng 3 năm nay, Tesla đã hoàn thành việc nghiên cứu và phát triển mô hình, đồng thời tạo ra bước đột phá trong công nghệ đúc khuôn tích hợp quy mô lớn hơn. Pin 4680 là trở ngại cuối cùng.
Trong ngành công nghiệp ô tô, chỉ có Tesla đầu tư trước vào công nghệ bằng mọi giá và gắn việc mở rộng kinh doanh của mình với những đột phá về công nghệ. Cả lợi ích và rủi ro đều được phóng đại.
Những thành công trước đây và những khó khăn hiện tại của Tesla đều bắt nguồn từ phương pháp bắt nguồn từ những nguyên tắc đầu tiên: từ bỏ các quy ước trong ngành, đặt câu hỏi về các yêu cầu ban đầu và suy nghĩ lại cách thực hiện điều gì đó dựa trên nền tảng vật lý thiết yếu nhất.
Tình huống mà phương pháp này phát huy tác dụng thường là khi Tesla muốn thách thức và phá bỏ những thói quen hoặc thói quen cũ được hình thành ở một giai đoạn công nghệ nhất định, và giờ đây có những công nghệ mới có thể phá vỡ những hạn chế trước đó. Musk nhạy bén nhìn thấy những hạn chế trong quá khứ không còn tồn tại, xuyên thủng “sự bất khả thi” vô hình trong tâm trí các chuyên gia cấp cao và tìm ra giải pháp.
Điều này đòi hỏi trực giác và khả năng phán đoán kỹ thuật. Nhưng thật khó để Musk hay bất kỳ cá nhân nào có thể đánh giá một cách khách quan và toàn diện về trình độ công nghệ, kỹ thuật tổng thể của một thời kỳ.
Trong một số trường hợp, ý tưởng của Musk chỉ tìm được sự hỗ trợ về mặt kỹ thuật và kỹ thuật: khi ông nghĩ đến việc đúc khuôn tích hợp từ sản xuất đồ chơi, tình cờ trên trái đất có một công ty có thể chế tạo được chiếc máy đúc khuôn nặng 6.000 tấn - Lijin.
Giải pháp đẩy song song 33 động cơ được SpaceX sử dụng cũng là ý tưởng được các nhà khoa học Liên Xô cũ thử nghiệm nhưng thất bại vào những năm 1970. Các động cơ tên lửa sẽ tương tác với nhau khi đẩy dòng chảy và các cài đặt động cơ cần được điều chỉnh theo thời gian thực. Máy tính vào thời điểm đó không thể điều khiển được nhiều động cơ như vậy cùng một lúc. Đến năm 2023, khi SpaceX thực hiện ý tưởng này, sức mạnh tính toán và thuật toán của máy tính sẽ có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp – sức mạnh tính toán của chip AI phổ thông gấp 1 tỷ lần so với 50 năm trước.
Trong mỗi ví dụ này, Elon Musk đều quay lại từ đầu và suy nghĩ lại những thói quen đã được chấp nhận mà không cần suy nghĩ trong nhiều năm. Trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ lâu đời, các nhà sản xuất lớn ngày này qua ngày khác theo đuổi hiệu quả sản xuất cao nhất cùng với các quy trình sản xuất đã được thiết lập và rất khó để có nhận thức hoặc không gian để suy nghĩ sáng tạo.
Hạn chế của những nguyên tắc đầu tiên là chúng không thể vượt qua những giới hạn của thời đại. Khi các mục tiêu của Tesla không thể đạt được bằng công nghệ hiện tại, hãng sẽ phải đầu tư một lượng lớn thời gian và tiền bạc để đạt được tiến độ chậm rãi.
Tesla đã vấp ngã khi sản xuất hàng loạt Model 3 vào năm 2017: Musk lúc đó tin rằng nhân lực có thể được thay thế hoàn toàn bằng cánh tay robot, điều tất yếu trong ngành sản xuất. Nhưng ông đã đánh giá quá cao trình độ của toàn bộ công nghệ tự động hóa, cánh tay robot thậm chí còn không thể thực hiện những công việc chải dây đơn giản. Tesla ngay lập tức rơi vào địa ngục sản xuất, còn Musk cuối cùng cũng thoát khỏi khủng hoảng bằng cách gọi công nhân quay lại nhà máy.
Sản xuất pin cũng là một lĩnh vực như vậy: nó bao gồm các nhiệm vụ đa ngành và phức tạp, các quá trình này đan xen và ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể. “Phủ phủ vật liệu điện cực dương và âm ướt rồi sấy khô” là bước mà ban đầu Musk cho là không cần thiết. Nhưng việc xóa bỏ liên kết này đòi hỏi phải đảo ngược toàn bộ quá trình từ trộn, phủ, cắt bế đến sấy khô.
Ngay cả khi Tesla có thể hoàn thành quy trình trên trong phòng thí nghiệm, hãng vẫn sẽ phải giải quyết hai vấn đề tương hỗ lẫn nhau là sản xuất hàng loạt và thương mại hóa. Một triệu xe điện tương ứng với hơn một tỷ tế bào, đòi hỏi phải lặp lại quy trình sản xuất hàng tỷ lần trên cùng một bộ thiết bị, đạt được mức năng suất cơ bản nhất định và kiểm soát chi phí.
Nhiều người trong ngành dự đoán Tesla sẽ sản xuất hàng loạt 4680 cục pin vào năm 2025, nhưng hiệu suất của phiên bản sản xuất hàng loạt cuối cùng sẽ giảm đáng kể so với phiên bản ra mắt năm 2020. Mật độ năng lượng của pin 4680 do Tesla sản xuất hiện chỉ là 265Wh/kg, thấp hơn gần 20% so với dự báo của ngành là 330Wh/kg. Phạm vi hoạt động tối đa của Cybertruck được trang bị bộ pin này chỉ là 547 km, thấp hơn rất nhiều so với mục tiêu trước đó là 800 km.
Dưới góc độ cạnh tranh kinh doanh tàn khốc: chậm, đôi khi không thể chấp nhận được. Nhịp điệu sản phẩm của Tesla đã bị gián đoạn. Vào thời điểm mà việc theo đuổi chiến thắng là quan trọng nhất, những chiếc xe mới của Tesla đã hết hàng trong vài năm.
Từ góc độ phát triển công nghệ, Tesla đã tìm ra hướng đi cho toàn ngành: pin 4680 đã thống nhất tiêu chuẩn kích thước của pin điện hình trụ lớn; hiện tại, những gã khổng lồ về pin như CATL cũng đã bắt đầu khám phá quy trình điện cực khô và kết hợp quy trình này mở rộng sang bộ tách pin và các thành phần khác. Pin 4680 có thể đang thúc đẩy một cuộc cách mạng công nghệ trong sản xuất pin điện.
