Pin Lithium-ion có ưu điểm là nhẹ, mật độ năng lượng cao, khả năng sạc nhanh và ít bị chai pin theo thời gian. Nhờ vậy, chúng giúp các dòng xe điện hiện đại vận hành ổn định, tiết kiệm năng lượng và thân thiện hơn với môi trường.

Để hiểu rõ hơn về tiềm năng và chất lượng của loại pin này, cùng khám phá quy trình khám phá quy trình sản xuất pin Lithium-ion chuẩn dành trong bài viết sau của INTECH. 

1. Lịch sử chế tạo pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion (Li-ion) là một trong những công nghệ pin sạc phổ biến và được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất ô tô điện. Với cấu tạo gồm chất điện phân (hỗn hợp LiPF6 và dung môi hữu cơ) giúp dẫn truyền ion Li giữa cực âm và cực dương trong quá trình sạc/xả, loại pin này mang lại hiệu suất năng lượng cao và độ bền vượt trội.

Năm 1970, nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham là người đầu tiên đặt nền móng cho công nghệ pin Lithium hiện đại. Ông đã sử dụng titan sunfua (TiS₂) kết hợp với kim loại lithium để tạo nên một loại điện cực thành phần quan trọng trong pin. Tuy nhiên, công nghệ này gặp phải nhiều hạn chế như chi phí chế tạo cao và đặc tính hóa học không ổn định.

Trong quá trình sản xuất, các hợp chất như titan disulfua dễ phản ứng với không khí, gây ra hiện tượng oxi hóa – khử, tạo ra khí hydro sunfua (H₂S) có mùi khó chịu và độc hại.

Đến năm 1980, nhà vật lý người Mỹ John B. Goodenough đã tạo ra bước tiến mới khi thay thế titan sunfua bằng Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂) một hợp chất có tính ổn định cao hơn và hiệu suất tốt hơn. Đây chính là nền tảng để các ion Li di chuyển hiệu quả giữa hai điện cực, tạo nên nguyên lý hoạt động đặc trưng của pin Lithium-ion.

Năm 1983, nhà khoa học người Nhật Akira Yoshino đã phát triển phiên bản pin Lithium-ion đầu tiên không chứa lithium kim loại ở điện cực dương. Thay vào đó, ông sử dụng polyacetylene kết hợp với Lithium Cobalt Oxide, cho phép ion Li di chuyển an toàn và ổn định giữa các điện cực. Đây chính là nguyên mẫu của pin Lithium-ion hiện đại.

Cột mốc quan trọng diễn ra vào năm 1991, khi công ty Sony Energytec chính thức ra mắt pin Lithium-ion thương mại đầu tiên với 4 dạng hình học:

• Pin hình trụ nhỏ

• Pin hình trụ lớn

• Pin phẳng (dạng túi)

• Pin hình lăng trụ

2. Các loại pin Lithium-ion phổ biến hiện nay

Hiện tại, công nghệ pin Lithium-ion được chia thành nhiều dòng khác nhau, phù hợp với từng mục đích sử dụng:

• Lithium-Cobalt Oxide (LiCoO₂): Dùng cho điện thoại, laptop

• Lithium-Titanate (LTO): Ứng dụng trong ô tô điện, xe đạp điện, xe tay ga và mô tô

• Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide (NMC): Phù hợp cho xe điện, thiết bị lưu trữ năng lượng

• Lithium-Mangan Oxide (LMO): Ứng dụng trong thiết bị công nghiệp và điện tử tiêu dùng

3. Quy trình sản xuất pin Lithium-ion đạt chuẩn dành cho ô tô điện

Cấu tạo pin Lithium có thể khác nhau về hình dạng và kích thước, nhưng về cơ bản đều gồm 4 thành phần chính: điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân và màng ngăn cách điện. Để sản xuất một viên pin Lithium-ion đạt chuẩn, các nhà sản xuất sẽ tuân theo quy trình gồm 3 bước chính như sau:

Bước 1: Chuẩn bị và tạo thành các điện cực

Quá trình đầu tiên trong sản xuất pin Lithium là chuẩn bị hỗn hợp bùn điện cực, bao gồm: Vật liệu hoạt tính (AM), chất dẫn điện, chất kết dính. Các nguyên liệu này được trộn đều bằng thiết bị chuyên dụng, tạo thành một hỗn hợp bùn đồng nhất với dung môi.

Hỗn hợp này được phủ đều lên lá nhôm (cực +) và lá đồng (cực -) thông qua khuôn rãnh, sau đó đưa vào lò sấy khô để dung môi bay hơi nhanh chóng. Nhờ đặc tính của vật liệu gốc nước, quá trình bay hơi không tạo ra khí thải độc hại, góp phần làm cho công nghệ pin Lithium trở nên thân thiện với môi trường  một phần của xu hướng năng lượng xanh.

Sau cùng, các điện cực được chuyển đến lò chân không để loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm dư thừa. Mức độ ẩm sẽ được kiểm tra nghiêm ngặt nhằm tránh phản ứng phụ và hiện tượng ăn mòn, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất của pin.

Bước 2: Lắp ráp tế bào pin Lithium-ion

Khi các điện cực đã được chuẩn bị, chúng được cuộn lại theo từng lớp hoặc xếp chồng theo cấu trúc nhất định, với màng phân tách (separator) được đặt giữa để đảm bảo cách điện.

Tiếp theo, cực âm và cực dương được kết nối bằng phương pháp hàn siêu âm hoặc hàn điện trở để đảm bảo tiếp xúc dòng điện ổn định. Tùy thuộc vào thiết kế của từng nhà sản xuất, các tế bào sẽ được lắp vào các vỏ bọc (hình trụ, hình túi, lăng trụ...) và sau đó bơm chất điện phân lỏng vào bên trong.

Kết thúc bước này, pin sẽ được niêm phong kín khí để bảo vệ cấu trúc bên trong. Đây là tiền đề để bước sang giai đoạn quan trọng tiếp theo – kích hoạt điện hóa.

Bước 3: Kích hoạt điện hóa pin Lithium

Trong bước này, các tế bào pin sẽ trải qua một quá trình sạc/xả với tốc độ thấp (C/20) để hình thành lớp giao diện điện phân rắn (SEI) – một màng chắn siêu mỏng bảo vệ cực âm. Lớp SEI giúp ngăn chặn phản ứng phụ, hạn chế tạo gai lithium và tăng độ an toàn khi sạc nhanh.

Để SEI hình thành ổn định, các tế bào cần được ngâm ướt với chất điện phân trong khoảng thời gian nhất định trước khi tăng tốc độ sạc. Sau khi chu kỳ sạc/xả hoàn thành, các khí sinh ra sẽ được loại bỏ qua bước khử khí nhằm đảm bảo an toàn.

Cuối cùng, các tế bào được lưu trữ trên kệ lão hóa trong vài tuần, giúp điện phân thẩm thấu hoàn toàn và làm ổn định lớp SEI. Thời gian lão hóa có thể thay đổi tùy vào quy trình sản xuất và điều kiện nhiệt độ của từng nhà máy.

4. Các phương pháp kiểm tra và thử nghiệm pin Lithium-ion

Trong quá trình sản xuất pin Lithium-ion, việc kiểm tra và thử nghiệm đóng vai trò rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng, độ bền và an toàn cho người sử dụng. Dưới đây là các phương pháp kiểm tra pin Lithium-ion phổ biến nhất hiện nay:

Kiểm tra độ bền cách điện của pin Lithium-ion

Đảm bảo các bộ phận bên trong pin như điện cực dương (catot), điện cực âm (anot) và vỏ pin được cách điện hoàn toàn với nhau.

Nếu không duy trì cách điện đúng cách (điện trở cách điện thấp), dòng điện có thể bị rò rỉ, gây nguy cơ chập mạch, cháy nổ hoặc tai nạn hỏa hoạn.

Kiểm tra chất lượng mối hàn của các bộ phận pin

Các điểm hàn kết nối giữa tab pin, bộ thu dòng và các thành phần dẫn điện khác cần đảm bảo chắc chắn và đồng đều. Nếu mối hàn không đạt chất lượng, điện trở sẽ tăng cao tại các điểm tiếp xúc, gây ra: Sự tổn thất năng lượng, tình trạng pin quá nhiệt, giảm tuổi thọ hoặc nguy cơ cháy nổ

Phương pháp kiểm tra bằng hình ảnh, siêu âm hoặc đo điện trở tại chỗ giúp đánh giá chính xác chất lượng mối hàn.

Giám sát điện áp và nhiệt độ trong quá trình sạc/xả

Trong giai đoạn kiểm tra hiệu suất, pin Lithium-ion sẽ được sạc và xả theo chu kỳ. Lúc này, hệ thống sẽ ghi nhận liên tục các thông số về điện áp và nhiệt độ để:

• Phân tích sự ổn định của pin

• Phát hiện sớm các khuyết tật tiềm ẩn

• Phân loại và đánh giá chất lượng pin

Những thay đổi bất thường trong điện áp hoặc nhiệt độ có thể là dấu hiệu của lỗi kỹ thuật hoặc pin kém chất lượng.

Kiểm tra điện trở bên trong (Internal Resistance)

Điện trở bên trong (IR) là thông số cho biết mức độ cản trở dòng điện trong pin. Khi pin mới, IR thường thấp; tuy nhiên, IR sẽ tăng lên theo thời gian sử dụng hoặc khi pin xuống cấp.

Pin có nội trở cao sẽ dễ nóng lên khi sạc/xả, giảm hiệu suất và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Vì vậy, đo điện trở bên trong là chỉ số quan trọng để đánh giá tuổi thọ và chất lượng pin.

Kiểm tra điện áp mạch hở (Open Circuit Voltage – OCV)

OCV là giá trị điện áp đo được khi pin không kết nối với bất kỳ tải nào. OCV phản ánh trạng thái sạc và tình trạng sức khỏe (SoH) của pin.

Khi pin có vấn đề bên trong, hiện tượng tự phóng điện xảy ra mạnh hơn, khiến điện áp hở mạch giảm xuống nhanh chóng. Do đó, theo dõi OCV giúp phát hiện sớm lỗi bên trong pin Lithium-ion.

Thử nghiệm an toàn trong phòng thí nghiệm

Sau khi sản xuất hàng loạt, pin Lithium-ion sẽ trải qua hàng loạt bài thử nghiệm mô phỏng điều kiện khắc nghiệt để đảm bảo an toàn tối đa, bao gồm:

• Thử nghiệm mô phỏng độ cao

• Khả năng chống cháy, chịu nhiệt

• Thử nghiệm chèn ép, rung động, va đập

• Kiểm tra phản ứng khi sạc quá ngưỡng

Những bài kiểm tra này được thực hiện tại các phòng thí nghiệm chuyên biệt nhằm đảm bảo pin Lithium-ion không gây rủi ro trong quá trình sử dụng, đặc biệt trong các lĩnh vực như ô tô điện, thiết bị y tế và hàng không.

5. Tương lai công nghệ sản xuất pin Lithium

Công nghệ sản xuất pin Lithium đang không ngừng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao trong thời đại số. Từ điện tử tiêu dùng đến giao thông vận tải, y tế, quân sự hay hàng không, vũ trụ, pin Lithium-ion đã và đang giữ vai trò chủ chốt trong quá trình chuyển đổi sang nguồn năng lượng xanh và bền vững.

Xu hướng phát triển công nghệ pin Lithium-ion

Ngày nay, các nhà khoa học và kỹ sư trên thế giới đang tập trung cải tiến pin Lithium-ion để mang lại hiệu quả cao hơn về: Mật độ năng lượng lớn hơn, tuổi thọ kéo dài, độ bền cao, tối ưu chi phí sử dụng

Đồng thời, nhiều vật liệu mới được nghiên cứu để thay thế cho phiên bản pin Li-ion truyền thống. Một số công nghệ tiên tiến tiêu biểu bao gồm: Pin Lithium – Lưu huỳnh (Li/S), Pin Sodium-ion (Na), Pin Magie (Mg), Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Titanate (LTO)

Các loại pin này hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu suất, giảm trọng lượng và tăng tính an toàn. Tuy nhiên, hầu hết vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm hoặc ứng dụng hạn chế, chưa đủ điều kiện để thay thế hoàn toàn pin Li-ion trong sản xuất quy mô lớn.

Đột phá trong vật liệu và quy trình sản xuất pin Lithium

Để rút ngắn khoảng cách từ nghiên cứu đến thực tiễn sản xuất, các chuyên gia công nghệ đang tập trung phát triển:

• Vật liệu rắn thay thế chất điện phân lỏng, như polymer, gốm sứ hoặc thủy tinh, nhằm giảm thiểu sử dụng dung môi độc hại.

• Công nghệ pin thể rắn (Solid-State Battery) với khả năng an toàn vượt trội, hạn chế rò rỉ và cháy nổ.

• Quy trình sản xuất tối ưu và thân thiện môi trường, giúp tạo ra các thế hệ pin Lithium bền vững hơn trong tương lai.

Sự đổi mới này là một phần tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng “sạch”, hiệu quả và thân thiện với môi trường trong kỷ nguyên công nghiệp xanh.

Một xu hướng nổi bật hiện nay là sử dụng pin Lithium-ion trong hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Đây là giải pháp giúp ổn định nguồn điện và giảm phát thải khí CO₂, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nền kinh tế xanh.

6. Intech Group và ứng dụng pin Lithium vào xe tự hành AGV

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà xưởng, Intech Group đã tiên phong áp dụng pin Lithium vào hệ thống xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle). Đây là bước đột phá giúp vận chuyển hàng hóa liên tục, chính xác và an toàn, Xe AGV tự động quay về trạm sạc khi gần hết pin, tăng hiệu suất vận hành, rút ngắn thời gian sạc và kéo dài thời gian sử dụng.

Sự phát triển mạnh mẽ của xe AGV kéo theo nhu cầu sử dụng pin Lithium có dung lượng cao, sạc nhanh, tuổi thọ lâu dài đúng với xu hướng hiện đại hóa và tự động hóa nhà máy thông minh trong thời kỳ chuyển đổi số.

Tương lai của công nghệ sản xuất pin Lithium đang mở ra nhiều cơ hội phát triển đột phá. Từ cải tiến vật liệu, tối ưu quy trình đến mở rộng ứng dụng trong năng lượng tái tạo và hệ thống tự động, pin Lithium-ion sẽ tiếp tục là trái tim của nhiều ngành công nghiệp trong thập kỷ tới.

Các doanh nghiệp như Intech Group với tầm nhìn công nghệ tiên phong đang góp phần định hình lại cách mà chúng ta lưu trữ và sử dụng năng lượng theo hướng bền vững, thông minh và thân thiện hơn với môi trường.

Tham khảo thêm: 

Nhà máy là gì? Khám phá công nghệ được sử dụng trong nhà máy sản xuất 

Hệ thống phân loại sản phẩm là gì? 

PLC là gì? Nguyên lý làm việc