Tin chuyên ngành khác, Tin năng lượng mặt trời, Tin Tức
Pin Lithium là gì? Phần 1: Lịch sử và Thành phần cấu tạo của Pin Lithium – Ion
Th5
Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, có thể nói Khoa học và công nghệ dấn sâu vào mọi lĩnh vực trong cuộc sống và sản xuất.
Để có thể đạt được sự phát triển như vậy thì vấn đề năng lượng và một yêu cầu và điều kiện tối thiểu – từ đảm bảo nguồn điện ổn định đến lưu trữ năng lượng dự phòng để khởi động và duy trì sự hoạt động của các thiết bị, đều thực sự vô cùng cần thiết.
Trong bài viết ngày hôm nay Dakia Tech sẽ giới thiệu một sản phẩm lưu trữ năng lượng tiên tiến nhất – Pin Lithium và phân tích về chủ đề Pin Lithium là gì? Lịch sử, Thành phần Và nguyên lý hoạt động của Pin Lithium ion?
I/ Lịch sử ra đời của Công nghệ Pin Lithium hay Lithium – Ion
Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970. Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan disulfua là một lựa chọn tệ hại, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970).
(Từ trái sang phải) John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino
Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfua – lithium này của Whittingham.
Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn, vì lithium là một chất phản ứng mạnh; Nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí.
Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.
Pin Lithium-ion (hay Pin Li-ion) lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991. Ngày nay, pin li-ion đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS trên thế giới.
II/ Pin Lithium là gì?
Pin Lithium-ion hay pin Li-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc được.
Pin Lithium thường được dùng cho các thiết bị điện di động như điện thoại, máy chụp hình, máy chơi game, máy tính,… Không những thế, loại pin này đang được chú trọng phát triển trong quân đội, các ứng dụng của phương tiện di chuyển chạy bằng điện (như xe đạp điện, xe máy điện,…), lĩnh vực lưu trữ điện UPS và kĩ thuật hàng không.
III/ Cấu tạo của Pin Lithium là gì?
3.1 Điện cực dương (Cathode)
(Nguồn: Điện máy xanh)
Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4.
Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), cho phép ion liti khuếch tán theo 2 chiều. Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài. Hạn chế của nó là giá cao do chứa coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt.
Vật liệu cơ sở là mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba chiều. Vật liệu này đang được quan tâm bởi mangan rẻ và phổ biến hơn coban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục.
Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin.
Vật liệu cực dương chứa coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành, và tăng công suất pin.
Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc.
3.1 Điện cực âm (Anode)
Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác.
Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10%.
Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion litium, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi “chứa” ion liti, silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin (nổ pin)
Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với Li có thể gây nứt gãy vật liệu. Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha solid electrolyte interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành. Lớp SEI này có thể dày lên ngăn chặn quá trình khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cực cũng như công suất pin và giảm độ bền của âm cực.
Nhiều phương pháp được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano.
3.3 Dung dịch điện ly (Electrolyte)
Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion litithium giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin.
Chính vì thế, nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Li-ion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion liti ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC.
Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion liti di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra dòng điện ở mạch ngoài nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với ion litium), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm. Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối liti, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat.
Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực. Lớp giao pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp giao diện bền.
Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE (poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền. Nó có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường khác.
Để hạn chế sự rò rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung môi này gặp không khí, dung môi gel, polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.
Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin li-ion dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quá trình lắp ráp, tăng tín an toàn cho pin.
Tổng kết Phần 1 Chủ đề: Pin Lithium là gì?
Trong phần 1 này chắc hẳn các bạn đã phần nào nắm được những kiến thức tổng quan nhất về:
- Lịch sử ra đời của Pin Lithium (Li-ion)
- Về thành phần cấu tạo cũng như tên gọi của chúng
DakiaTech hẹn gặp lại Quý bạn đọc trong Phần 2 Chủ đề Pin Lithium.
Chân thành cảm ơn!
Nguồn tài liệu: Internet và Wikipedia
Để được tư vấn hỗ trợ tốt nhất quý khách hàng xin liên hệ qua Hotline: 0343535797
