10
11
1.3 Giá trị về kinh tế.
Lý do chính khiến pin Lithium-ion được sử dụng phổ biến là bởi mật độ năng lượng cao của nó. Hơn nữa, pin Lithium-ion có thời gian sạc ngắn hơn và chu kỳ sạc xả nhiều lần hơn trước khi hỏng ( chai pin ). Những đặc tính này tạo ra pin có tuổi thọ cao hơn, dung lượng lớn hơn. Vì vậy, việc thương mại hóa pin này trở nên nhanh chóng và rộng rãi trên thị trường. Pin Lithium-ion đã, đang và sẽ tiếp tục là công nghệ có thể định hình tương lai của nền kinh tế thế giới. Pin giờ đây còn quan trọng hơn cả dầu mỏ.
Trong tương lai, quốc gia nào làm chủ chuỗi cung ứng sản phẩm này sẽ chiếm ưu thế trong việc nắm giữ vị trí số 1 thế giới trong nhiều lĩnh vực. Hơn 2/3 dân số thế giới đang dùng ít nhất một thiết bị di động và gần như tất cả đều hoạt động bằng pin sạc Lithium-ion. Ngành công nghiệp pin Lithium-ion ngày nay đã phát triển rất mạnh với trị giá 37,8 tỷ USD năm 2018 và kỳ vọng đạt hơn 94 tỷ USD vào năm 2024, thu hút hàng vạn người tham gia nghiên cứu [4].
Hình 1.12: Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là cơng nghệ có thể định hình tương
12
Ngày nay, pin Lithium-ion đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới. Pin Lithium-ion đã được ứng dụng vào gần như mọi mặt trong cuộc sống hiện nay và là một phần không thể thiếu trong thời đại của cơng nghệ kỹ thuật số [4].
Với tính ưu việt mà khơng một loại pin nào có thể sánh kịp, pin Lithium-ion có thể lưu trữ hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Điều này mở ra một tương lai xán lạn là đến một ngày không xa, con người sẽ khơng dùng đến nhiên liệu hóa thạch, từ đó giảm phát thải khí nhà kính.[4].
Hay như các tập đồn hàng khơng lớn đang chú ý đến việc phát triển những máy bay điện thay vì dùng nhiên liệu lỏng như hiện nay. Theo Quartz, thế hệ máy bay này gây tác động mơi trường ít hơn máy bay hiện nay. Máy bay điện với tầm bay 1.000km mỗi lần sạc có thể được sử dụng cho một nửa số chuyến bay thương mại ngày nay, giảm lượng phát thải carbon tồn cầu khoảng 15% [4].
Hình 1.13: Pin Lithium-ion đã đang và sẽ tiếp tục là cơng nghệ có thể định hình tương
13
1.4 Yếu tố công nghệ.
Những thiết bị càng tinh vi, đa tính năng, phân giải cao, trọng lượng nhỏ càng yêu cầu về thể tích và khối lượng pin nhỏ nhưng khả năng lưu trữ lại lớn. Chính vì thế các nhà sản xuất pin trên khắp thế giới biết rõ các yêu cầu của khách hàng và do đó, tập trung vào các tiêu chí: mật độ năng lượng cao, tuổi thọ, kích thước nhỏ và giá thấp.
Tuy nhiên, giống như tất cả các loại pin, pin Lithium-ion cũng có những nhược điểm và giới hạn. Một thực tế khơng thể phủ nhận đó là pin Lithium-ion đã đạt đến giới hạn an toàn về mật độ năng lượng trong một diện tích cụ thể. Những dịng pin hiện nay không hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao, hao nhanh và dễ bắt lửa.
Các tập đoàn đa quốc gia, trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới luôn đầu tư nhiều tiền của và nhân lực để tiếp tục nghiên cứu nhằm cải thiện những thiếu sót của loại pin này để chứng minh một điều rằng, chúng vẫn là pin của tương lai [4].
1.5 Ý nghĩa về mặt xã hội.
Pin Li-ion đã chứng minh được bản lĩnh trong sự phát triển của thế giới công nghệ cao mà chúng ta đang sống, mà đã đặt nền tảng của một xã hội không dây, khơng có nhiên liệu hóa thạch và mang lại lợi ích lớn nhất cho lồi người.
Việc thải khí GHG do hoạt động của con người là nguyên nhân chính của ấm lên tồn cầu (biến đổi khí hậu) kể từ giữa thế kỷ XX. Tiếp tục phát thải khí nhà kính sẽ gây ra những thay đổi lâu dài hơn nữa và lâu dài trên khắp thế giới, tăng khả năng tác động nghiêm trọng, tràn lan và không thể đảo ngược đối với con người và các hệ sinh thái.
Bước đột phá về công nghệ pin sinh thái đã góp phần hủy bỏ việc sản xuất năng lượng khí đốt tự nhiên theo kế hoạch. Nhu cầu về các nhà máy khí tự nhiên mới này có thể được bù đắp thơng qua các danh mục năng lượng sạch (CEP) về lưu trữ năng lượng, hiệu quả, năng lượng tái tạo và đáp ứng nhu cầu.[4].
14
Chương 2
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.1 Tình hình chung.
Bạn có thể đã nhận thấy ngày càng nhiều xe điện và các thiết bị giao thông khác trên đường ngày nay bao gồm ô tô cá nhân, xe tải vận chuyển, xe đạp, xe máy, xe tay ga và các phương thức vận tải khác chạy bằng năng lượng điện, tất cả đều được cung cấp bằng năng lượng dự trữ trong pin.
Pin có ở khắp mọi nơi và chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày: thiết bị điện tử cầm tay, công cụ điện không dây, bộ lưu trữ năng lượng, xe hybrid và xe điện. Do đó, nhu cầu sản xuất pin đáp ứng hoặc vượt yêu cầu về chất lượng và sản xuất đối với các sản phẩm này là rất lớn.
Các quy trình hàn điểm điện trở, hàn TIG vi mô và hàn laser đều cho phép sản xuất số lượng lớn chất lượng cao. Việc lựa chọn công nghệ này so với công nghệ khác thường được thực hiện dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng và sự phù hợp của công nghệ với những nhu cầu này.[5].
2.2 Lựa chọn cơng nghệ và quy trình hàn pin phù hợp.
Việc lựa chọn cơng nghệ và quy trình phù hợp nhất dựa trên hai yếu tố chính:
- Độ dày vật liệu kết nối.
15
Mỗi công nghệ hàn điểm điện trở, hàn Micro TIG và hàn laser đều có các tính năng cụ thể phù hợp tốt với các nhu cầu gia cơng này. Cần có hiểu biết rõ ràng về các công nghệ và ứng dụng để triển khai một hệ thống hàn sản xuất hiệu quả và đáng tin cậy. Sơ đồ sau đây cho thấy nơi mỗi công nghệ phù hợp với độ dày của tab và thơng lượng sản xuất. Ví dụ, hàn điện trở là lựa chọn tuyệt vời cho các mấu mỏng hơn và tốc độ xử lý trung bình cho các gói dụng cụ cầm tay, trong khi hàn laser là lựa chọn tốt hơn cho các mấu đồng và nhôm dày hơn, chẳng hạn như các loại được sử dụng trong xe điện. Micro-TIG phù hợp nhất để hàn tab-to-busbar cho các gói cơng suất thấp đến cao [5].
16
2.3 Các thách thức của công nghệ hàn.
Những thách thức được liệt kê ở trên có thể được chia nhỏ thành các giải pháp mong muốn. Hình ảnh sau đây cho thấy năm thách thức chính thường gặp phải trong kết nối giữa tab với pin và độ hiệu quả của ba cơng nghệ hàn: [5].
Hình 2.2: Các công nghệ hàn cell pin [5].
+ Hàn điện trở ( Resistance Welding ).
+ Hàn laser ( Laser Welding ).
17
Hình 2.3: Độ hiệu quả của các công nghệ hàn trong các thách thức chính [5].
+ Hàn kim loại khác nhau ( Dissimilar metal welding ).
+ Độ dày tab kết nối ( Thicker tab materials ).
+ Tốc độ định vị điểm hàn ( High speed positioning ).
+ Thiết kế công cụ, hệ thống hàn ( Tooling design ).
18
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Hàn kim loại khác nhau.
Trong sản xuất bộ pin, các tế bào ( cell ) pin thường đã được lắp ráp sẵn và người kỹ sư gặp thách thức trong việc đưa ra một thiết kế để ghép chúng thành chuỗi và song song để cung cấp năng lượng tối ưu. Một tế bào ( cell ) pin Li-ion điển hình được làm bằng thép cán nguội mạ niken. Chúng ta biết rằng chúng ta có thể dễ dàng ghép một thanh niken hoặc thép vào vật liệu này, nhưng cả hai vật liệu đều có mức trở kháng cao. Do đó, lý tưởng nhất, kỹ sư sẽ chọn vật liệu tab dẫn điện hơn như nhôm hoặc đồng, những vật liệu sẽ giảm thiểu tổn thất nhiệt và cung cấp phương tiện để xả và sạc pin nhanh chóng. Tuy nhiên, liệu những vật liệu khác nhau này có thể được kết hợp với nhau không? Công nghệ hàn nào tốt nhất? Chúng ta hãy xem xét.
❖ Phương pháp hàn bằng điện trở.
Độ dẫn điện của vật liệu hạn chế phần nào khả năng kết nối các vật liệu sử dụng công nghệ hàn điện trở. Như tên cho thấy, cần có điện trở để làm nóng và nóng chảy các bộ phận. Khi vật liệu dẫn điện - như nhôm hoặc đồng - thì cơng nghệ này không phù hợp. Một số hợp kim mới kết hợp cả vật liệu điện trở và vật liệu dẫn điện đang bắt đầu được sử dụng - như Ni SS Cu (SIGMAclad®), - cung cấp một lớp điện trở để tạo mối hàn và một lớp dẫn điện để đáp ứng những thách thức trên.
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Hàn vi TIG là một quá trình nhiệt hạch nghiêm ngặt, giới hạn vật liệu được kết hợp với những vật liệu có hóa chất tương thích: có thể hàn đồng với thép, nhưng nhơm với thép thì khơng.
19
❖ Phương pháp hàn laser.
Nói chung, hàn laser cũng là một q trình hàn nhiệt hạch. Tuy nhiên, các nguồn laser mới có thể tránh được q trình nhiệt hạch truyền thống và kết hợp các vật liệu với sự trộn lẫn giữa các kim loại một cách hạn chế. Kết quả là mối nối cơ học tương tự như Velcro®, cung cấp khả năng tiếp xúc điện và nhiệt tốt. Điều này cho phép ngay cả sự gia nhập không thể tưởng tượng trước đây của nhôm và thép cán nguội mà không tạo thành cấu trúc liên kim loại giòn của mối hàn nung chảy truyền thống.
Tuy nhiên, tính phù hợp và mục đích của mối hàn cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng. Trong trường hợp của một mấu pin bằng nhôm với một tấm pin bằng thép cán nguội mạ niken có thể có sức kéo cơ học khá mạnh dọc theo hướng rung động dự kiến. Thử nghiệm nhiệt và giao động cho thấy rằng mối nối cơ học kết quả đáp ứng các yêu cầu về độ dẫn, độ bền và độ bền tổng thể. [5].
20
3.2 Hàn các tab ( dải ) kết nối có độ dày lớn hơn.
Tại sao các nhà sản xuất pin lại sử dụng vật liệu tab dày hơn?
Đó là vì khả năng mang dịng điện cao hơn so với các tab mỏng hơn. Tuy nhiên, các tab dày hơn cũng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và tiếp điểm đầu kim hàn chính xác hơn để tránh đốt cháy mối hàn và làm hỏng pin.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Khi sử dụng phương pháp hàn điểm điện trở, phải xem xét cẩn thận đường dẫn dòng điện giữa các điện cực ( kim hàn ). Các điện tích sẽ ln chạy dọc theo con đường có ít điện trở nhất, do đó khi các tab dày hơn, năng lượng sẽ truyền trực tiếp giữa các điện cực với tab và bề mặt pin sẽ ít hoặc khơng có năng lượng tại bề mặt phân cách mong muốn. Điều này bắt đầu xảy ra đối với các tab niken > 0,005 inch (0,125 mm ). Để tránh dòng điện bị rẽ nhánh, tab kết nối cần được thiết kế cẩn thận với các khe và mấu để tập trung năng lượng và dẫn năng lượng mối hàn đến các điểm cụ thể.
❖ Phương pháp hàn laser.
Khi hàn bằng tia laser, hình dạng chung của mối hàn mấu pin là mối hàn vịng, có nghĩa là tia laser phải xuyên thấu hoàn toàn qua mấu trên cùng và ít nhất là một chút vào bề mặt pin. Hàn laser có thể đạt đến độ xuyên thấu rất cao ( > 0,4 inch hoặc > 10 mm) chỉ với một tia laser, tuy nhiên, từ quan điểm thực tế, các tab dày nhất là theo thứ tự 0,020 inch (0,5 mm) đối với các thành pin 0,012-0,014 inch ( 0,3 - 0,35 mm ), nhưng được sử dụng rộng rãi và hiệu quả là độ dày của tab 0,010 inch ( 0,25 mm ) được ưu tiên sử dụng để có được độ hiệu quả sản xuất tốt nhất.
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Hàn Micro TIG cũng có thể xử lý vật liệu dày tới 0,020 inch ( 0,5 mm ) với nguồn điện đầu ra 200 A, nhưng vật liệu tab dày hơn yêu cầu nhiệt bổ sung có thể là một mối lo ngại về an toàn [5].
21
3.3 Tốc độ định vị điểm hàn.
Các mô-đun ( khối ) pin ngày càng lớn hơn và nhu cầu về các bộ pin ngày càng tăng. Do đó, định vị tốc độ cao là một tính năng hệ thống rất mong muốn, dẫn đến tăng thông lượng sản phẩm. Có một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ bao gồm tác động chuyển động của đầu hàn, thời gian chu kỳ hàn và tác động chuyển động giữa các ô cần được xem xét đối với từng công nghệ hàn.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Có một số hoạt động chuyển động và thời gian xử lý cần được tính đến khi sử dụng hàn điện trở. Đối với mỗi mối hàn, các điện cực ( kim hàn ) trên bộ cân lực hàn phải được hạ xuống phôi, thời gian ép (là khoảng thời gian tạo áp lực cho đến khi mối hàn cháy), sau đó là thời gian hàn, thời gian giữ (sau khi mối hàn cháy và bắt đầu nguội), và cuối cùng nâng các điện cực trở lại vị trí ban đầu.
Người ta cũng phải tính tốn thời gian chuyển động để di chuyển từ ô này sang ô khác.
Tính tốn thời gian thực hiện một mối hàn được hiển thị trong Bảng 3.1. Với mỗi điểm hàn, ước tính mất 2,2 giây. Đối với một bộ pin bao gồm 117 Cell ( 9 x 13 ), điều này có nghĩa là có 234 vị trí để hàn và tổng thời gian xử lý là 514,8 giây.
❖ Phương pháp hàn laser.
Vì hàn laser là một q trình khơng tiếp xúc, nên chuyển động duy nhất là tạo mẫu mối hàn và chuyển động di chuyển chùm tia từ ô này sang ô khác. Thời gian chu kỳ hàn là sự kết hợp của các lần bắn và chuyển động nhỏ trên một ô.
Đối với hàn laser, tính tốn thời gian cho việc xử lý 234 vị trí mối hàn được ước tính là 257,4 giây.
22
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Với hàn Micro TIG, cân nhắc về thời gian chu kỳ bao gồm chuyển động của mỏ hàn đi lên và di chuyển từ ô này sang ô khác.
Do chuyển động lên xuống của mỏ hàn nên thời gian hàn lâu hơn hàn laser và ước tính là 491,4 giây [5].
Bảng 3.1: Ước tính và so sánh thời gian chu kỳ đối với hàn điện trở (RW), hàn laser
(LW) và hàn Micro TIG (MT) [5].
*Bộ pin được gá trên hệ trục tọa độ XY với cữ gá cố định.
RW LW* MT
Chuyển động từ ô này
sang ô khác 1 giây 1 giây 1 giây
Thời gian đầu hàn đi
xuống 0,5 giây N / A 0,5 giây
Thời gian chu kỳ hàn 200 mili giây 100 mili giây 100 mili giây
Thời gian đầu hàn đi
lên 0,5 giây N / A 0,5 giây
Tổng thời gian 1 mối
hàn 2,2 giây 1,5 giây 2,1 giây
23
3.4 Thiết kế công cụ, hệ thống hàn.
Quy tắc số một trong hàn là - bạn không thể hàn khơng khí! Để đạt được mối hàn thành cơng, mấu và ô phải tiếp xúc mật thiết. Một số cơng nghệ hàn có cơ cấu chạy dao được tích hợp sẵn vì chúng là các q trình tiếp xúc. Những bộ phận khác không tiếp xúc và yêu cầu công cụ sản xuất đặc biệt để giữ các bộ phận tiếp xúc chặt chẽ khi năng lượng được phân phối.
Khi bộ pin trở nên lớn hơn, có những cân nhắc bổ sung cần giải quyết. Ví dụ, hệ