Vai trò của công nghệ chân không trong sự phát triển của xe điện Ngày 11 tháng 10 năm 2021

Công nghệ chân không có liên quan đến chất lượng và sự an toàn của các giai đoạn khác nhau trong sản xuất pin lithium-ion. Các chuyên gia chân không tại Leybold đã hỗ trợ các nhà sản xuất pin lithium-ion trong các quy trình và thách thức công nghệ của họ trong nhiều năm và do đó, đã tham gia mạnh mẽ vào sự phát triển của phương tiện di động điện.

Xe điện là xu hướng mới nhất trong môi trường thị trường rất năng động. "Từ quan điểm của công nghệ chân không, chúng tôi đã theo dõi chặt chẽ sự phát triển này trong nhiều năm", Tiến sĩ Sina Weiss, Giám đốc Phát triển Kinh doanh tại Leybold GmbH cho biết. "Có cơ hội giúp định hình các phát triển và nghiên cứu hiện tại là điều vô cùng thú vị," cô nói thêm.  
 
Theo ý kiến của cô, một trong những nhiệm vụ chính là xác định các ứng dụng và thị trường chân không mới từ các công nghệ và phát triển mới càng sớm càng tốt. Do đó, vai trò chiến lược của công nghệ chân không là tạo điều kiện và thúc đẩy những phát triển này. Ví dụ, thiết kế của môi trường chân không là một yếu tố có thể có ảnh hưởng tích cực đến các quy trình. Chân không thường được sử dụng trong giai đoạn chiết rót chất điện ly để đảm bảo rằng pin được bão hòa đồng đều với chất điện ly và mang lại độ tinh khiết cho quy trình chiết rót.

Leybold đã nghiên cứu những phát triển trong lĩnh vực này và xác định các cơ hội cho ứng dụng chân không trong quy trình sản xuất pin lithium-ion. Vì ban đầu không có nhiều thông tin về quy trình sản xuất các bộ phận lithium-ion, nên công ty đã hợp tác với Liên đoàn Thiết kế Máy móc và Thiết bị Đức (VDMA) và Chủ tịch Kỹ thuật Sản xuất Bộ phận Xe điện tại Đại học RWTH Aachen để thiết lập một quy trình sản xuất. Ngoài pin lithium-ion, Leybold cũng đã tập trung vào sự phát triển của pin nhiên liệu. Các quy trình chân không có thể áp dụng đã xuất hiện, bao gồm cả việc phủ các tấm lưỡng cực dưới chân không. Tại đây, điều quan trọng là phải quan sát sự phát triển công nghệ trong vài năm tới và, nếu cần thiết, hỗ trợ thông qua sự hợp tác. 
 
Công nghệ chân không được sử dụng trong nhiều bước quy trình khác nhau trong sản xuất điện cực cũng như trong nghiên cứu và phát triển. Do đó, Leybold làm việc chặt chẽ với máy móc và nhà máy 
các nhà sản xuất cung cấp cho các nhà sản xuất pin các nhà máy sản xuất. Ngoài ra, Leybold hợp tác với các nhà sản xuất pin cũng như với các tổ chức tiến hành nghiên cứu để phát triển hơn nữa các công nghệ pin.

Phần lớn hoạt động sản xuất tiếp tục diễn ra tại châu Á. Tuy nhiên, phần lớn nghiên cứu và phát triển đang chuyển sang châu Âu, làm cho EU (và đặc biệt là Đức) trở nên quan trọng hơn với tư cách là một địa điểm nghiên cứu và sản xuất. 
 
Công nghệ chân không được sử dụng trong sản xuất pin cũng như trong các quy trình như 
ứng dụng các vật liệu hoạt tính vào điện cực. "Nhìn chung, không khí là một yếu tố gây nhiễu trong nhiều môi trường sản xuất vì hàng triệu hạt và phân tử khí có ảnh hưởng tiêu cực đến bước sản xuất này, đôi khi thậm chí khiến nó trở nên không thể. Khi trộn bùn, phải tránh các hạt và bong bóng khí để đạt được sản phẩm chất lượng cao. Do đó, hầu hết các máy trộn đều hoạt động dưới chân không", Tiến sĩ Sina Weiss giải thích.

Chân không cũng rất cần thiết trong giai đoạn sấy để loại bỏ ngay cả lượng dung môi và độ ẩm còn lại nhỏ nhất. Nếu không có chân không, quá trình sấy sẽ cần được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiều và sẽ kéo dài hơn nhiều. Điều này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện cực. Ngay khi chất điện ly được kết hợp vào các bước quy trình tiếp theo, chân không sẽ đảm nhận một khía cạnh an toàn, vì nhiều chất điện ly được sử dụng có tính phản ứng cao và dễ cháy. Chân không chất lượng cao là điều cần thiết ở đây. Một mặt, nó mang lại độ tinh khiết cho quy trình để không có hạt hoặc độ ẩm nào có thể xâm nhập vào tế bào trong quá trình nạp và khử khí chất điện phân. Mặt khác, nó cung cấp môi trường phản ứng thấp không có oxy hoặc độ ẩm mà chất điện phân có thể phản ứng với. 
 
"Thách thức lớn nhất luôn nằm ở hỗn hợp khí được bơm. Về nguyên tắc, mọi thứ được bơm và xử lý cũng được vận chuyển bởi bơm chân không. Trong sản xuất pin, điều này ảnh hưởng đến các dung môi và chất điện phân có xu hướng độc hại và có thể làm hỏng bơm và có thể cả dầu bơm", Tiến sĩ Sina Weiss cho biết. "Nhưng nhiệt độ môi trường xung quanh rất ấm và độ ẩm cao, nói chung, cũng là những tình huống đặt ra những thách thức cho chúng ta," cô nói thêm. Đây là nơi mà các nhà sản xuất pin được yêu cầu giúp đỡ, bằng cách đảm bảo làm mát chính xác bơm hoặc bằng cách sử dụng tụ điện.

Cơ hội cải tiến tồn tại trong nhiều lĩnh vực, vì vẫn chưa có quy trình đã được thiết lập đã được chứng minh là hiệu quả. Ví dụ, sấy chân không là quy trình áp suất, nhiệt độ và khí quy trình (như nitơ) cụ thể của khách hàng. Để đạt được kết quả sấy chất lượng cao thông qua sự trợ giúp của sấy chân không, các dự án nghiên cứu liên quan đến ngành đã được tiến hành dưới sự hướng dẫn của VDMA. 
 
Việc phát hiện rò rỉ cũng đóng một vai trò trung tâm trong sản xuất từ góc độ an toàn. Pin phải có khả năng chống rò rỉ 100% để đảm bảo tuổi thọ pin dài. Kiểm tra rò rỉ hợp lệ chỉ có thể được thực hiện thông qua hệ thống phát hiện rò rỉ chân không. Ngay cả rò rỉ nhỏ nhất cũng có thể được phát hiện với sự trợ giúp của máy dò rò rỉ heli hoặc máy đo quang phổ khối lượng. Mặt khác, rò rỉ không được phát hiện sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin và/hoặc dẫn đến rò rỉ chất điện phân phản ứng cao. 
 
Một số thành phần của pin lithium-ion được xử lý trong chân không là độc hại. Để bảo vệ môi trường và công nghệ chân không khỏi các chất gây ô nhiễm, bơm chân không phải có khả năng chịu được các khí này. Ngoài ra, các chất độc hại phải được ngăn chặn trong quy trình và xả ra một cách an toàn tương ứng.

Đối với các khí độc hại này, bơm chân không chạy khô được sử dụng. Bơm chân không gioăng dầu có xu hướng không phù hợp với các ứng dụng này, vì dầu bơm có thể bị hư hỏng hoặc nhiễm bẩn bởi khí. Sử dụng bơm nén khô, các nhà sản xuất pin tiết kiệm thời gian và tiền bạc vì nếu không họ sẽ cần thay dầu bơm thường xuyên. Tiến sĩ Sina Weiss tóm tắt: "Bơm chân không kín dầu ngày càng được sử dụng trong quy trình nạp và khử khí chất điện phân, hiện nay chúng tôi đang thay thế bằng bơm chân không chạy khô cho nhiều khách hàng của mình. 
 
Để đảm bảo đủ độ tin cậy của quy trình khi xử lý khí độc hại, các bơm được hàn kín được sử dụng, ngăn chặn ngay cả lượng khí nhỏ nhất thoát ra. Đây là một yếu tố quan trọng, đặc biệt là trong trường hợp chất điện phân độc hại, nơi an toàn nghề nghiệp cũng rất quan trọng.

Do đó, công nghệ chân không đóng một vai trò quan trọng trong việc sấy khô, nạp chất điện ly và khử khí. "Chân không là điều cần thiết trong cả ba bước quy trình," Tiến sĩ Sina Weiss nhấn mạnh. Nhưng các bước xử lý phía trên, chẳng hạn như trộn bằng máy trộn chân không, xếp chồng bằng kẹp chân không và các bước xử lý phía dưới, chẳng hạn như đóng gói, cũng được xử lý nhanh hơn và đáng tin cậy hơn bằng công nghệ chân không. 
 
Trong tương lai, ảnh hưởng của môi trường chân không tinh khiết và các thông số kỹ thuật có thể được xác định tốt hơn nữa. Với sự phát triển của các tấm điện cực được đánh dấu riêng lẻ có thể được truy xuất qua toàn bộ quy trình sản xuất bằng mã QR laser, ảnh hưởng của các thông số quy trình riêng lẻ đến chất lượng pin có thể được truy xuất chính xác. 

Công nghệ chân không cũng đóng một vai trò quan trọng về mặt an toàn trong quá trình sản xuất và sử dụng pin. Ví dụ, việc xử lý an toàn các chất điện ly độc hại trong tương lai sẽ chỉ có thể thực hiện được trong điều kiện chân không. Lái xe điện, chúng tôi tin tưởng vào chất lượng của pin, chất lượng này có thể được kiểm tra và đảm bảo tốt nhất trong chân không. Tuy nhiên, phải nói rằng các quy trình dưới chân không luôn cần nhiều năng lượng hơn so với các quy trình dưới áp suất khí quyển. Tuy nhiên, những năm gần đây đã có những tiến bộ to lớn về máy bơm tiết kiệm năng lượng, và ngày nay chúng tôi sử dụng máy bơm chân không tiết kiệm chi phí cao trong sản xuất pin. "Điều này có nghĩa là giờ đây chúng ta có thể tập trung vào các câu hỏi cốt lõi: Làm thế nào chúng ta có thể đạt được công suất, độ an toàn và chất lượng cao hơn trong sản xuất pin bằng cách thiết kế hiệu quả hệ thống chân không? Và ở đây, chúng tôi cũng sẽ đạt được nhiều tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chân không trong những năm tới", Tiến sĩ Sina Weiss kết luận.