Posted by: Admin Category: Tin tức Comments: 0 Post Date: 27/06/2022

Pin sạc Li-ion là gì?

Pin Li-ion hay pin lithi-ion / pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng). LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO₂, LiMnO₂, v.v….; dùng cho điện cực dương là graphite. Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.

Khi xả (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương). Ion lithi di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi sạc, dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion lithi di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode.

Các lĩnh vực nghiên cứu về pin lithium-ion bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin.

MỤC LỤC

Phát minh và phát triển

Varta lithium-ion battery, Museum Autovision, Altlussheim, Germany

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 trên thế giới.^[19]

Nguyên tắc hoạt động

Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin lithi-ion là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion lithi dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy.

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

LiCoO₂ $\rightleftharpoons$ CoO₂ + Li⁺ + e^–

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C₆ + Li⁺ + e^– $\rightleftharpoons$ LiC₆

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)

C₆ + LiCoO₂ $\rightleftharpoons$ LiC₆ + CoO₂

Như vậy khi sạc, C₆⁰ (anode) bị khử thành C₆^1-, Co³⁺ bị oxy hóa thành Co⁴⁺, và ngược lại khi xả.

Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion lithi) một lithi coban oxide đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxide, theo phản ứng một chiều sau:

LiCoO₂ + Li⁺ + e^– → Li₂O + CoO

Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxide, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X.^[20]

LiCoO₂ → Li⁺ +e^– + CoO₂

Cấu tạo pin

Điện cực dương (cathode)

Điện cực dương
Hợp chất	Công ty	Ứng dụng	Năm	Ưu điểm
Lithi Niken Mangan Coban Oxide (NMC, LiNi_xMn_yCo_zO₂)	Imara Corporation, Nissan Motor,^[25]^[26] Microvast Inc., LG Chem^[27]	Xe điện, dụng cụ điện, grid energy storage	2008	Năng lượng riêng và mật độ năng lượng riêng cao
Lithi Mangan Oxide (LMO, LiMn₂O₄)	LG Chem,^[28] NEC, Samsung,^[29] Hitachi,^[30] Nissan/AESC,^[31] EnerDel^[32]	Xe điện hybrid, điện thoại, laptop	1996	Giá rẻ, bền, năng lượng riêng cao
Lithi Sắt Phosphate (“LFP”, LiFePO₄)	University of Texas/Hydro-Québec,^[33] Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT^[34]^[35]	Segway Personal Transporter, dụng cụ điện, sản phẩm hàng không, automotive hybrid systems, PHEV conversions	1996	Mật độ năng lượng ở mức trung bình (2 A·h outputs 70 amperes) An toàn, bền nhiệt.
Lithi Coba Oxide (LiCoO₂)	Sony first commercial production^[56][85]	Đa dạng	1991	Năng lượng riêng cao
Lithi Niken Coban Nhôm Oxide (“NCA”, LiNiCoAlO₂)	Panasonic,^[27] Saft Groupe S.A.^[36]	Xe điện	1999	Năng lượng riêng cao, vòng đời dài

Điện cực âm (anode)

Điện cực âm
Hợp chất	Dung lượng	Công ty	Ứng dụng	Năm	Nhận xét
Graphite	372 mAh/g		Là vật liệu chính cho cực âm trong hầu hết các LIB	1991	Giá rẻ. Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước hình dạng của từng lớp graphene.^[120]
Lithi Titanate (“LTO”, Li₄Ti₅O₁₂)	175 mAh/g	Toshiba, Altairnano	Ô tô (Phoenix Motorcars), điện lưới dự trữ (PJM Interconnection Regional Transmission Organization control area,^[121] United States Department of Defense^[122]), bus (Proterra)	2008	Dòng điện, thời gian sạc, độ bền (an toàn, bền nhiệt, có thể chạy trong khoảng −50–70 °C (−58–158 °F))^[123]
Hard Carbon	540 mAh/g^[39]	Energ2^[124]	Dụng cụ điện gia đình	2013	Dung lượng lớn
Hợp kim thiếc coban (CoSn_x)	lên đến 992 mAh/g	Sony	Dụng cụ điện (Sony Nexelion battery)	2005	Dung lượng lớn hơn pin graphite (3.5Ah 18650-type battery)
Silicon/Carbon	Volumetric: 580 W·h/l	Amprius^[125]	Smartphones, với công suất 5000 mA·h	2013	Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon <10% khối lượng.

Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE (poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền.^[43]^[44] 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.

Cơ chế sạc và xả

Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp, tương đối khác biệt.

Đối với một tế bào pin Li-ion được sạc/xả qua hai giai đoạn:

1 – Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)

2 – Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)

Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn

1 – Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)

2 – Cân bằng

3 – Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)

Nhiệt độ hoạt động

Pin LIB không nên sạc ở nhiệt độ dưới 0 ^oC. Ở nhiệt độ này, tuy hệ pin có vẻ đang được sạc bình thường, nhưng do ở nhiệt độ thấp, độ dẫn của vật liệu điện cực kém sẽ làm giảm khả năng phản ứng của ion lithi với vật liệu điện cực, khi đó lithi sẽ được mạ lên bề mặt điện cực thay vì khuếch tán vào sâu bên trong vật liệu và tham gia phản ứng trong điều kiện sạc lạnh, lớp mạ này bám chặt trên điện cực dù có tiếp tục sạc hay xả. Vì thế hầu hết các pin đều không thể hoạt động ngoài khoảng 0-45 ^oC vì yếu tố an toàn

Pin sạc Li-ion là gì?