Pin Lithium hoạt động như thế nào?

Khám phá tại sao pin lithium-ion lại được ưa thích và phổ biến hiện nay. 

Công việc tiên phong của pin lithium bắt đầu vào năm 1912 dưới thời GN Lewis, nhưng cho đến đầu những năm 1970, pin lithium không được sạc lại đầu tiên đã có mặt trên thị trường thương mại. Các nỗ lực phát triển pin lithium có thể sạc lại được bắt đầu vào những năm 1980 nhưng 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 pin lithium làm cực dương, Li-ion sử dụng graphite làm cực dương và các vật liệu hoạt tính trong cực âm)

Lithium là kim loại nhẹ nhất trong tất cả các kim loại,do đó có tiềm năng điện hóa lớn nhất và cung cấp năng lượng cụ thể lớn nhất cho mỗi trọng lượng. Pin sạc có  lithium trên cực dương có thể cung cấp mật độ năng lượng cao bất thường; tuy nhiên, nó đã được phát hiện vào giữa những năm 1980 rằng đi xe đạp sản xuất dendrites không mong muốn trên anode. Các hạt này tăng trưởng xâm nhập vào tách và gây ra một điện ngắn. Nhiệt độ của tế bào sẽ tăng nhanh và tiếp cận điểm nóng chảy của lithium, gây ra hiện tượng mất nhiệt, còn được gọi là hiện tượng “thông hơi với ngọn lửa.” Một số lượng lớn pin lithium kim loại  sạc lại đã được gửi đến Nhật Bản để nghiên cứu và đã được thu hồi vào năm 1991 sau khi một loại pin lithium trong điện thoại di động được phát hành đã phát nổ và gây bỏng mặt một người đàn ông sử dụng nó

Sự bất ổn của kim loại lithium, đặc biệt là trong quá trình sạc,do đó họ đã chuyển nghiên cứu sang một giải pháp phi kim loại sử dụng ion lithium. Năm 1991, Sony đã thương mại hoá ion Li đầu tiên và ngày nay ngành hóa học về pin ion Li này đã trở thành một loại pin có triển vọng và phát triển nhanh nhất trên thị trường. Mặc dù năng lượng đặc biệt thấp hơn so với kim loại lithium,nhưng bù lại Li ion an toàn, với điều kiện các giới hạn điện áp và dòng điện đang được sử dụng trên các quốc gia

Người đã phát minh ra pin lithium-cobalt đó là John B. Goodenough (1922). Người ta nói rằng trong suốt quá trình phát triển, một sinh viên tốt nghiệp của Nippon Telephone & Telegraph (NTT) đã làm việc với Goodenough ở Mỹ. Ngay sau khi tốt nghiệp cậu học sinh đó quay trở về Nhật Bản để nghiên cứu tiếp . Sau đó, vào năm 1991, Sony đã công bố một bằng sáng chế quốc tế về catốt lithium-cobalt-oxide.Việc này đã xảy ra nhiều vụ kiện tụng trong nhiều năm về việc vi phạm bản quyền về phát minh catốt lithium-cobalt-oxide , nhưng Sony đã chiến thắng vụ kiện và có thể giữ lại bằng sáng chế và Goodenough không nhận được gì vì những nỗ lực của ông. Để ghi nhận những đóng góp trong phát triển Li-ion, Học viện Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ đã trao giải Goodenough và những người đóng góp khác cho giải thưởng Charles Stark Draper năm 2014. Năm 2015, Israel trao giải Goodenough 1 triệu đô la,

Chìa khóa cho năng lượng mới hiện nay là điện thế cao của điện thế 3.60V. Cải tiến trong các vật liệu hoạt tính và chất điện phân có tiềm năng tăng cường mật độ năng lượng. Đặc tính tải tốt và đường cong xả bằng phẳng cho phép sử dụng hiệu quả năng lượng tích trữ trong dải phổ điện áp mong muốn và phẳng 3,70-2,80V / ô.

Năm 1994, chi phí để sản xuất Li-ion trong tế bào hình trụ 18650 là trên US $ 10 và công suất là 1.100mAh. Năm 2001, giá giảm xuống dưới 3 USD trong khi năng lực tăng lên 1.900mAh. Ngày nay, các tế bào 18650 dày đặc năng lượng cao cung cấp trên 3.000 mAh và chi phí đang giảm. Giảm chi phí, tăng năng lượng và không có vật liệu độc hại đã lát đường để làm cho Li-ion trở thành loại pin được chấp nhận rộng rãi cho các ứng dụng di động, công nghiệp nặng, hệ thống điện và vệ tinh. Các 18650 các biện pháp 18mm đường kính và 65mm chiều dài.
Li-ion là một loại pin bảo trì thấp, một lợi thế mà hầu hết các hóa chất khác không thể yêu cầu bồi thường. Pin không có bộ nhớ và không cần nạp xả liên thục để giữ nó ở trạng thái tốt. Tự xả ít hơn một nửa so với hệ thống niken và điều này giúp cho các ứng dụng đo nhiên liệu. Điện thế danh định 3,60 V có thể trực tiếp điện thoại di động, máy tính bảng và máy ảnh kỹ thuật số, cung cấp đơn giản hóa và giảm chi phí qua thiết kế đa tế bào. Những hạn chế là cần thiết cho các mạch bảo vệ để ngăn chặn lạm dụng, cũng như giá cao.

Các loại pin Lithium-ion

Lithium-ion sử dụng cực dương (điện cực dương), cực dương (điện cực âm) và chất điện phân như dây dẫn. Cathode là oxit kim loại và anode bao gồm cacbon xốp. Trong quá trình xả, các ion chảy từ cực dương đến cực âm qua điện phân và tách; phí đảo ngược hướng và dòng ion từ cực âm đến cực dương. Hình 1 minh hoạ quá trình.

Hình 1: Dòng ion trong pin lithium-ion. 
Khi tế bào tích điện và xả, các ion trao đổi giữa cathode (cực dương) và anode (điện cực âm). Khi xả, anode chịu quá trình oxy hóa, hoặc mất điện tử và cathode giảm đi, hoặc tăng electron. Qúa trình nạp xả sẽ thay đổi chiều của của ion .

Pin Li ion có nhiều loại nhưng tất cả đều có một điểm chung -đó là tên gọi của nó “lithium-ion”. Mặc dù nhìn thoáng qua, những chiếc pin này khác nhau về hiệu năng và sự lựa chọn do đó nó đem lại nhiều tính năng cũng như công dụng đa dạng hơn
Pin lithium-ion ban đầu của Sony sử dụng than cốc làm cực dương (sản phẩm than). Từ năm 1997, hầu hết các nhà sản xuất ion Li, bao gồm cả Sony, chuyển sang graphite để đạt được một đường cong xả tốt hơn. Graphite là một dạng carbon có độ bền 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 mềm. Các nguyên tử cacbon nano chưa tìm thấy trong Li-ion thương mại vì chúng  ảnh hưởng đến hiệu suất. Một vật liệu tương lai hứa hẹn để nâng cao hiệu suất của Li-ion là graphene .

Hình 2 minh họa đường cong phóng điện áp của một ion Li hiện đại với anode graphite và so với than cốc thông thường

Hình 2: Đường cong điện thế của lithium-ion

Một số phụ gia đã được nghiên cứu, bao gồm các hợp kim silicon, để tăng cường hiệu suất của anode graphite. Phải mất sáu nguyên tử carbon (than chì) để liên kết với một ion lithium; một nguyên tử silic đơn có thể liên kết với bốn ion lithium. Điều này có nghĩa là anode silic trên lý thuyết có thể lưu trữ trên 10 lần năng lượng của than chì, nhưng việc mở rộng anode trong quá trình sạc là một vấn đề. Các anode silicone nguyên chất do đó không thực tế và chỉ 3-5% silic được thêm vào anode của silicon để đạt được chu kỳ hoạt động tốt.

Sử dụng lithium-titanate có cấu trúc nano như là một phụ gia anode cho thấy chu kỳ cuộc sống đầy hứa hẹn, khả năng chịu tải tốt, hiệu suất nhiệt độ cao xuất sắc và độ an toàn cao, nhưng năng lượng cụ thể thấp và chi phí cao.

Thí nghiệm với vật liệu cực âm và cực dương cho phép các nhà sản xuất tăng cường chất lượng nội tại, nhưng một sự tăng cường có thể làm tổn hại đến chất lượng khác. Cái gọi là ” Năng lượng Cell ” tối ưu hóa năng lượng cụ thể (năng lực) để đạt được thời gian chạy dài nhưng ở công suất cụ thể thấp hơn; ” Power Cell ” cung cấp công suất đặc biệt đặc biệt nhưng ở công suất thấp hơn. “Tế bào lai” là một sự thỏa hiệp và cung cấp một ít của cả hai. (Xem thêm về BU-501: Các khái niệm cơ bản về việc xả pin .)

Các nhà sản xuất có thể đạt được năng lượng đặc biệt cao và chi phí thấp tương đối dễ dàng bằng cách bổ sung niken thay cho coban đắt hơn, nhưng điều này làm cho tế bào không ổn định. Trong khi một công ty mới thành lập có thể tập trung vào năng lượng đặc biệt cao và giá thấp để đạt được sự chấp nhận của thị trường nhanh chóng, an toàn và độ bền không thể bị tổn hại. Các nhà sản xuất có uy tín đặt toàn vẹn tính an toàn và tuổi thọ. Bảng 3 tóm tắt những ưu điểm và hạn chế của Li-ion.

Thị trường Li-ion hiện tại bị chi phối bởi một thiết kế tương tự. Hầu hết các điện cực âm (anode) được làm từ cacbon / graphite được phủ lên một bộ thu dòng đồng, điện cực dương oxit kim loại (catốt) được phủ lên một bộ thu dòng nhôm, một chất 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.

Bảng 3: Lợi thế và hạn chế của pin Li-ion

Ưu điểm

Năng lượng cao và khả năng chịu tải cao với chu trình của các tế bào điện giúp kéo dài thời hạn sử dụng

Công suất cao, ít kháng nội bộ, hiệu quả điện thế cực tốt

Thuật toán tính phí đơn giản và thời gian sạc ngắn hợp lý

Tự xả  thấp (ít hơn một nửa so với NiCd và NiMH)

Hạn chế

Yêu cầu bảo vệ mạch tránh tràn nhiệt

Degrades ở nhiệt độ cao và khi lưu trữ ở điện áp cao

Mất điện áp nhanh chóng khi ở nhiệt độ dưới 0 (<0 ° C, <32 ° F)

Các quy định khi vận chuyển phải mang với số lượng lớn

Mẹo xử lý để chất lượng hình ảnh đẹp hơn khi sử dụng máy ảnh

  • Bộ sạc đôi FW50 cho SONY lpha 7 7R II 7S a7S a7R II a5000 a5100 a6000 a6300 NEX-7

    850,000VNĐ 600,000VNĐ Giảm giá!
  • Freeship

    Bộ sạc pin AA và AAA cao cấp Sunopux

    490,000VNĐ
  • Pin CR123A Panasonic

    50,000VNĐ
  • Pin máy ảnh Pentax D-Li109 – DSTE

    350,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA 1.5 V Kentli Li-Ion 3000 mWh

    800,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Beston 1100 mAh

    100,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Beston 1300 mAh

    120,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Camelion 2500 mAh

    100,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Camelion 2500 mAh

    100,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Camelion 2700 mAh

    100,000VNĐ
  • Freeship

    Pin sạc AA Panasonic Eneloop 1900 mah Nhật

    320,000VNĐ
  • Pin sạc CR2 Litelong

    300,000VNĐ
  • Pin sạc D-Li50 Pentax DTSE

    350,000VNĐ
  • Pin sạc Gopro 4 – Kingma

    600,000VNĐ
  • Pin sạc máy ảnh Canon LPE6

    500,000VNĐ