Pin Lithium hoạt động như thế nào?

Công trình tiên phong về pin lithium bắt đầu vào năm 1912 dưới thời GN Lewis, nhưng mãi đến đầu những năm 1970, pin lithium không sạc lại đầu tiên mới được thương mại hóa. Những nỗ lực phát triển pin lithium sạc lại diễn ra sau đó vào những năm 1980 nhưng đã thất bại vì sự bất ổn định trong lithium kim loại được sử dụng làm vật liệu cực dương. (Pin lithium kim loại sử dụng lithium làm cực dương; Li-ion sử dụng than chì làm cực dương và vật liệu hoạt động ở cực âm.) Chính điều này đặt ra câu hỏi "Pin Lithium hoạt động như thế nào". Nội dung dưới đây được Interlift tổng hợp lại từ các nguồn uy tín. 

Lithium là kim loại nhẹ nhất trong tất cả các kim loại, có thế điện hóa lớn nhất và cung cấp năng lượng riêng lớn nhất trên mỗi trọng lượng. Pin sạc có kim loại lithium trên cực dương có thể cung cấp mật độ năng lượng cực cao; tuy nhiên, vào giữa những năm 1980, người ta phát hiện ra rằng quá trình tuần hoàn tạo ra các nhánh cây không mong muốn trên cực dương. Các hạt tăng trưởng này xâm nhập vào bộ tách và gây ra hiện tượng đoản mạch điện. Nhiệt độ của pin sẽ tăng nhanh và tiến gần đến điểm nóng chảy của lithium, gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, còn được gọi là "thoát khí bằng ngọn lửa". Một số lượng lớn pin lithium kim loại sạc được gửi đến Nhật Bản đã bị thu hồi vào năm 1991 sau khi một cục pin trong điện thoại di động giải phóng khí cháy và gây bỏng cho mặt một người đàn ông.

Pin Lithium

Tính bất ổn vốn có của kim loại lithium, đặc biệt là trong quá trình sạc, đã chuyển hướng nghiên cứu sang giải pháp phi kim loại sử dụng ion lithium. Năm 1991, Sony đã thương mại hóa ion Li đầu tiên và ngày nay, loại hóa chất này đã trở thành loại pin triển vọng nhất và phát triển nhanh nhất trên thị trường. Mặc dù có năng lượng riêng thấp hơn kim loại lithium, ion Li vẫn an toàn, miễn là tuân thủ các giới hạn về điện áp và dòng điện. 

Công lao phát minh ra pin lithium-coban-oxit phải thuộc về John B. Goodenough (1922). Người ta nói rằng trong quá trình phát triển, một sinh viên tốt nghiệp được Nippon Telephone & Telegraph (NTT) tuyển dụng đã làm việc với Goodenough tại Hoa Kỳ. Ngay sau bước đột phá này, sinh viên đã trở về Nhật Bản, mang theo khám phá của mình. Sau đó, vào năm 1991, Sony đã công bố bằng sáng chế quốc tế về cực âm lithium-coban-oxit. Nhiều năm kiện tụng đã xảy ra sau đó, nhưng Sony vẫn có thể giữ được bằng sáng chế và Goodenough không nhận được gì cho những nỗ lực của mình. Để ghi nhận những đóng góp trong quá trình phát triển Li-ion, Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ đã trao Giải thưởng Charles Stark Draper cho Goodenough và những người đóng góp khác vào năm 2014. Năm 2015, Israel đã trao cho Goodenough giải thưởng trị giá 1 triệu đô la, số tiền này ông sẽ quyên góp cho Viện Vật liệu Texas để hỗ trợ nghiên cứu vật liệu.

John B. Goodenough (1922)

Chìa khóa cho năng lượng riêng cao cấp là điện áp cell cao 3,60V. Những cải tiến trong vật liệu hoạt động và chất điện phân có khả năng tăng cường thêm mật độ năng lượng. Đặc tính tải tốt và đường cong xả phẳng cung cấp khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng được lưu trữ trong phổ điện áp mong muốn và phẳng 3,70–2,80V/cell.

Năm 1994, chi phí sản xuất Li-ion trong cell hình trụ 18650 là hơn 10 đô la Mỹ và dung lượng là 1.100mAh. Năm 2001, giá giảm xuống dưới 3 đô la trong khi dung lượng tăng lên 1.900mAh. Ngày nay, các cell 18650 có mật độ năng lượng cao cung cấp hơn 3.000mAh và chi phí đang giảm. Việc giảm chi phí, tăng năng lượng riêng và không có vật liệu độc hại đã mở đường để đưa Li-ion trở thành loại pin được chấp nhận rộng rãi cho các ứng dụng di động, công nghiệp nặng, hệ thống truyền động điện và vệ tinh. 18650 có đường kính 18mm và chiều dài 65mm. 

Pin Li-ion là loại pin ít cần bảo dưỡng, một ưu điểm mà hầu hết các loại hóa chất khác không thể có được. Pin không có bộ nhớ và không cần phải sử dụng (xả hết có chủ đích) để giữ pin ở trạng thái tốt. Tự xả ít hơn một nửa so với các hệ thống dùng niken và điều này giúp ích cho các ứng dụng đo nhiên liệu. Điện áp danh định của cell là 3,60V có thể cấp nguồn trực tiếp cho điện thoại di động, máy tính bảng và máy ảnh kỹ thuật số, mang lại sự đơn giản hóa và giảm chi phí so với các thiết kế nhiều cell. Nhược điểm là cần có mạch bảo vệ để ngăn ngừa tình trạng lạm dụng, cũng như giá thành cao.

Các loại pin Lithium-ion

Pin lithium-ion sử dụng catốt (điện cực dương), anot (điện cực âm) và chất điện phân làm chất dẫn điện. (Anot của pin đang xả là cực âm và catốt là cực dương. Catốt là oxit kim loại và anot bao gồm cacbon xốp. Trong quá trình xả, các ion chảy từ anot sang catốt qua chất điện phân và bộ tách; điện tích đảo ngược hướng và các ion chảy từ catốt sang anot. Hình 1 minh họa quá trình này.

Dòng ion trong pin lithium-ion

Hình 1: Dòng ion trong pin lithium-ion.
Khi pin sạc và xả, các ion di chuyển giữa catốt (điện cực dương) và anot (điện cực âm). Khi xả, anot bị oxy hóa hoặc mất electron, và catốt bị giảm hoặc thu electron. Điện tích đảo ngược chuyển động.

Pin Li-ion có nhiều loại nhưng tất cả đều có một điểm chung – từ khóa “lithium-ion”. Mặc dù thoạt nhìn có vẻ rất giống nhau, nhưng các loại pin này có hiệu suất khác nhau và việc lựa chọn vật liệu hoạt động mang lại cho chúng những tính cách riêng biệt. 

Pin lithium-ion ban đầu của Sony sử dụng than cốc làm cực dương (sản phẩm than đá). Từ năm 1997, hầu hết các nhà sản xuất Li-ion, bao gồm cả Sony, đã chuyển sang than chì để đạt được đường cong phóng điện phẳng hơn. Than chì là một dạng cacbon có độ ổn định chu kỳ dài hạn và được sử dụng trong bút chì. Đây là vật liệu cacbon phổ biến nhất, tiếp theo là cacbon cứng và cacbon mềm. Các cacbon ống nano vẫn chưa được sử dụng thương mại trong Li-ion vì chúng có xu hướng vướng víu và ảnh hưởng đến hiệu suất. Một vật liệu trong tương lai hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu suất của Li-ion là graphene .

Hình 2 minh họa đường cong phóng điện áp của pin Li-ion hiện đại với anot than chì và phiên bản than cốc ban đầu.
Hình 2: Đường cong xả điện áp của lithium-ion.
Pin phải có đường cong điện áp phẳng trong phạm vi xả có thể sử dụng. Anode graphite hiện đại thực hiện điều này tốt hơn phiên bản than cốc ban đầu. Được cung cấp bởi Cadex

Một số chất phụ gia đã được thử nghiệm, bao gồm hợp kim gốc silicon, để tăng cường hiệu suất của anode graphite. Cần sáu nguyên tử carbon (graphite) để liên kết với một ion lithium duy nhất; một nguyên tử silicon duy nhất có thể liên kết với bốn ion lithium. Điều này có nghĩa là anode silicon về mặt lý thuyết có thể lưu trữ năng lượng gấp 10 lần graphite, nhưng sự giãn nở của anode trong quá trình sạc là một vấn đề. Do đó, anode silicon nguyên chất không thực tế và thường chỉ thêm 3–5 phần trăm silicon vào anode gốc silicon để đạt được tuổi thọ chu kỳ tốt.

Việc sử dụng lithium-titanate có cấu trúc nano làm chất phụ gia anot cho thấy tuổi thọ chu kỳ đầy hứa hẹn, khả năng chịu tải tốt, hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ thấp và độ an toàn vượt trội, nhưng năng lượng riêng thấp và chi phí cao.

Thử nghiệm với vật liệu catốt và anode cho phép các nhà sản xuất tăng cường các phẩm chất nội tại, nhưng một cải tiến có thể làm giảm chất lượng khác. Cái gọi là “ Energy Cell ” tối ưu hóa năng lượng riêng (công suất) để đạt được thời gian chạy dài nhưng ở công suất riêng thấp hơn; “ Power Cell ” cung cấp công suất riêng đặc biệt nhưng ở công suất thấp hơn. “ Hybrid Cell ” là một sự thỏa hiệp và cung cấp một chút của cả hai. 

Các nhà sản xuất có thể đạt được năng lượng riêng cao và chi phí thấp tương đối dễ dàng bằng cách thêm niken thay cho coban đắt tiền hơn, nhưng điều này làm cho pin kém ổn định hơn. Trong khi một công ty khởi nghiệp có thể tập trung vào năng lượng riêng cao và giá thấp để nhanh chóng được thị trường chấp nhận, thì tính an toàn và độ bền không thể bị ảnh hưởng. Các nhà sản xuất có uy tín đặt tính toàn vẹn cao vào tính an toàn và tuổi thọ. Bảng 3 tóm tắt những ưu điểm và hạn chế của Li-ion.

Hầu hết các loại pin Li-ion đều có thiết kế tương tự nhau bao gồm một điện cực dương oxit kim loại (cực âm) được phủ lên một bộ thu dòng điện bằng nhôm, một điện cực âm (cực dương) làm từ carbon/graphite phủ lên một bộ thu dòng điện bằng đồng, một bộ tách và chất điện phân làm từ muối lithium trong dung môi hữu cơ. Bảng 3 tóm tắt những ưu điểm và hạn chế của Li-ion.