Tải bản đầy đủ

123doc cau tao va nguyen ly hoat dong cua pin lithi ion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO
MÔN ĐIỆN HÓA HỌC
ĐỀ TÀI:

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
PIN LITHI - ION
Giảng viên: TS. TRẦN VĂN MẪN
Nhóm 1: 1. BÙI NHẬT VŨ - MSHV: M2016011
2. TRẦN THỊ DIỄM TRANG - MSHV: M2016009
LỚP CAO HỌC HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ K.23

Năm 2017

1


MỤC LỤC
Trang

1. GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................3
1.1. Lịch sử tìm ra pin..................................................................................................3
1.2. Tổng quan về các loại pin.....................................................................................7
1.2.1. Cấu tạo của một viên pin...................................................................................8
1.2.2. Phản ứng hóa học bên trong pin.........................................................................8
1.2.3. Khả năng sạc của pin.........................................................................................9
1.3. Giới thiệu về nguồn điện hóa học.........................................................................10
1.3.1. Điều kiện để hệ điện hóa trở thành nguồn điện hóa học....................................10
1.3.2. Các đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng
của nguồn điện hóa học...............................................................................................13
2. PIN LITHI-ION.......................................................................................................14
2.1. Giới thiệu về pin Lithi-ion....................................................................................14
2.1.1. Lịch sử phát minh..............................................................................................14
2.1.2. Ứng dụng của pin Lithi-ion...............................................................................15
2.1.3. Các loại pin Lithi – ion......................................................................................15
2.1.4. Ưu và nhược điểm của pin Lithi-ion..................................................................26
2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion...............................................28
2.1.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion............................................28
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion.............................................................29
2.3. Chế tạo pin Lithi-ion.............................................................................................31
2.3.1. Vật liệu..............................................................................................................32
2.3.2. Sản xuất pin Lithi-ion........................................................................................32
2.3.3. Đường cong phóng điện.....................................................................................37
2.4. Quy trình sạc và xả pin.........................................................................................39
2.4.1. Tổng quan về quá trình sạc pin..........................................................................39
2.4.2. Vấn đề “sạc sâu” (Over-charging).....................................................................40
2.4.3. Xả pin Li-ion bị over-discharg (xả sâu).............................................................41
2.4.4. Vấn đề cân bằng cell (cell balancing)................................................................41
2


2.4.5. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc.....................................................43
2.5. Sử dụng pin Lithi-ion an toàn, hợp lý...................................................................43
2.6. Những nghiên cứu cải tiến trong pin Li-ion..........................................................45
2.6.1. Pin Lithi-ion cải tiến, tuổi thọ 20 năm...............................................................45
2.6.2. Pin nhạy cảm với nhiệt độ có thể ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ..........................45
2.6.3. Pin Nano............................................................................................................46
2.6.4. Pin Lithi-air.......................................................................................................46
2.6.5. Siêu tụ điện .......................................................................................................47
3. KẾT LUẬN.............................................................................................................49


TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................51

3


BÁO CÁO VỀ
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PIN LITHI-ION
GIẢNG VIÊN: TS. TRẦN VĂN MẪN
NHÓM 1: BÙI NHẬT VŨ - TRẦN THỊ DIỄM TRANG
LỚP CAO HỌC HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ K23

1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Lịch sử tìm ra pin
Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các
ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiều
thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động, máy tính bảng đến
pin cỡ lớn dùng cho xe điện,... Pin đã, đang và sẽ là một công cụ lưu trữ năng lượng được sử
dụng phổ biến không chỉ trong hiện tại mà còn nhiều năm nữa trong tương lai.
Pin đã xuất hiện trong lịch sử nhân loại từ rất sớm. Năm 1938, nhà khảo cổ học
Wilhelm Konig đã phát hiện ra một vài chậu đất sét nung trông khá kì lạ khi ông đang khai
quật ở Khujut Rabu, ngoại ô Baghdad, Iraq ngày nay. Những chiếc bình dài khoảng 5 inch
(12.7 cm) có chứa một que sắt bao phủ bên ngoài bằng đồng có niên đại từ những năm 200
trước CN. Các kiểm tra cho thấy rằng những chiếc bình này trước kia có lẽ đã từng chứa
những hợp chất có tính axit như dấm hay rượu nho chẳng hạn. Vì vậy Konig tin rằng những
chiếc bình này có thể là những viên pin của thời cổ đại. Từ phát hiện này, các học giả đã mô
phỏng cấu tạo của chiếc bình và quả thực chúng có thể tạo ra điện. Những” pin điện Baghdad”
này có thể đã từng được dùng cho nghi lễ tôn giáo, chữa bệnh hay thậm chí là để mạ điện.
Vào năm 1799 nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã tạo ra viên pin đầu tiên bằng
cách xếp chồng các lớp kẽm, lớp bìa giấy hoặc vải đã thấm nước muối và bạc với nhau. Tuy
không phải thiết bị đầu tiên có thể tạo ra dòng điện nhưng lại là thứ đầu tiên có thể tạo ra dòng
điện lâu dài và ổn định. Tuy nhiên phát minh này của Volta tồn tại một số hạn chế. Chiều cao
của các lớp được xếp lên nhau bị hạn chế bởi khối lượng của chồng đĩa kim loại sẽ ép nước
muối chảy ra khỏi bìa giấy hoặc vải thấm. Các đĩa kim loại cũng có xu hướng bị ăn mòn nhanh
làm rút ngắn tuổi thọ của pin.
Đột phá tiếp theo trong công nghệ làm pin xuất hiện vào năm 1836 khi nhà hóa học
John Frederick Daniell phát minh ra pin Daniell. Trong những mẫu pin loại này đầu tiên, một
tấm đồng được đặt ở dưới đáy của một bình thủy tinh và đồng sulfate được đổ đầy đến nửa
bình. Sau đó, một tấm kẽm được treo trong bình, và thêm vào dung dịch kẽm sulfat. Bởi vì
dung dịch đồng sulfate có tỉ trọng lớn hơn sulfate kẽm, dung dịch kẽm nổi lên phía trên cùng
và bao quanh tấm kẽm. Dây điện nối với tấm kẽm được gọi là cực âm, trong khi một dây khác
nối với các tấm đồng là cực dương. Rõ ràng, cách sắp xếp này không phù hợp với thiết bị di
động như các loại đèn pin chẳng hạn nhưng với thiết bị tĩnh thì ngược lại, pin Daniel hoạt động
rất tốt. Trong thực tế, pin Daniell đã được sử dụng phổ biến để cấp điện cho chuông cửa điện
và điện thoại trước khi các máy phát điện được phát triển thành công.
Đến năm 1898, pin khô Colombia đã trở thành pin đầu tiên được thương mại hóa trên
lãnh thổ Hoa Kì. Nhà sản xuất, công ty National Carbon sau đó đã trở thành công ty Eveready,
hãng sản xuất ra thương hiệu pin Energiner danh tiếng.
4


Mãi cho tới năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành công trong việc cải
tiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao. Giải pháp cải tiến của 2 nhà phát minh là
trang bị thêm những tấm vách ngăn các điện cực thành nhiều khoang. Năm 1947, George
Neumann tiếp tục hoàn thiện mô hình trên thông qua việc chế tạo thế hệ pin NiCd với nhiều
vách ngăn bên trong được hàn kín lại.
Nhiều năm sau đó, pin NiCd tiếp tục là loại pin duy nhất có thể sạc và di chuyển được.
Vào những năm 1990, vấn đề môi trường được quan tâm hàng đầu tại châu Âu và các nhà
khoa học bắt đầu chú ý đến pin NiCd do khả năng xử lý các hóa chất độc hại sau quá trình sử
dụng. Các đạo luật được ban hành nhằm hạn chế việc sử dụng các nguyên tố này và chuyển
sang sử dụng pin Nickel-Sắt Hydrid (NiMH) thân thiện với môi trường hơn. Dù vậy, tương tự
như pin NiCd, pin NiMH vẫn chưa thật sự đạt được hiệu quả như mong đợi và các nhà nghiên
cứu vẫn tiếp tục phát triển nên một thế hệ pin ưu việt hơn. Đây chính là bàn đạp tạo tiền đề cho
sự ra đời của pin Lithi-ion (Li-ion).
Bảng 1: Tóm tắt các cột mốc quan trọng có liên quan đến quá trình phát triển của pin

5


Một số hình ảnh về lịch sử phát triển của pin

Hình 1: Giáo sư Cơ thể học Luigi Galvani
(1737-1798) với phát hiện đâm que sắt Hình 2: Alessandro Volta (1745-1827) là
vào chân nhái đặt trên bàn kim loại giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha
khiến chân nhái co giật
đẻ của pin

Hình 4: Mô hình pin đầu tiên của Volta còn
được bảo tồn đến ngày nay

Hình 3: Mô hình pin của Volta
6


Hình 5: Nhà hóa học người Anh, William
Cruickshank với thiết kế mô hình pin Hình 6: Pin ướt có thể sạc được của nhà
vật lý người Pháp Gaston Planté
đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mô
công nghiệp

Hình 8: Pin NiMH
Hình 7: Pin Ni-Cd

7


Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin Li-ion
Năm 1991, tập đoàn điện tử
Sony chính thức thương mại hóa pin
Li-ion dưới quy mô sản xuất công
nghiệp. Cho đến nay, hầu hết các hoạt
động nghiên cứu đều xoay quanh việc
cải thiện hiệu suất của pin Li-on. Bên
cạnh việc cung cấp năng lượng cho
điện thoại di động, máy tính xách tay,
máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và
các thiết bị y tế, pin Li-ion hiện nay
còn được sử dụng cho xe điện. Đây là
thế hệ pin đáng chú ý nhất tính đến
thời điểm hiện tại do có mức lưu trữ
năng lượng riêng, thiết kế đơn giản,
hiệu suất cao, cho dòng ổn định, chi
phí bảo trì thấp và khá thân thiện với
môi trường.

8


Hình 10: Pin Li-ion của hãng điện thoại Nokia
1.2. Tổng quan về các loại pin
Pin được phân loại theo hóa học, và phổ biến nhất là hệ thống Lithi, chì, và niken. Hình
11 minh hoạ sự phân bố của các hệ thống này. Với 37% doanh thu toàn cầu, pin Li-ion là lựa
chọn số một cho các thiết bị cầm tay và hệ thống điện.

Hình 11: Doanh thu toàn cầu của hệ thống pin khác nhau
37% Pin Lithi-ion
20% Pin axit chì, pin khởi động
15% Pin kiềm, pin sơ cấp
8% Pin axit chì, pin cố định
6% Pin Zn-C, pin sơ cấp
5% Pin axit chì, pin chu kỳ sâu
3% Pin NiMH
3% Pin Lithi, pin sơ cấp
2% Pin Ni-Cd
1% Khác
Nguồn: Frost & Sullivan (2009)

1.2.1. Cấu tạo của một viên pin
Một viên pin bất kỳ đều có hai cực (terminal). Một cực được đánh dấu (+) là cực dương,
cực còn lại được đánh dấu (-) là cực âm. Trong những loại pin cho đèn pin thông thường, như
pin AA, C hoặc D, các cực của pin đặt trên hai đầu của pin. Tuy nhiên, một pin 9 volt hoặc ắc
quy xe hơi, hai cực pin nằm cạnh nhau phía trên đỉnh viên pin. Khi ta kết nối một dây giữa hai
cực này, các electron sẽ đi từ cực âm đến cực dương với tốc độ cực kì nhanh. Điều này sẽ làm
pin hết nhanh và cũng có thể gây nguy hiểm, đặc biệt là với các loại pin lớn. Để sử dụng pin, ta
phải kết nối pin với một tải chẳng hạn như một bóng đèn, một động cơ hoặc một mạch điện tử.
Các thành phần bên trong của pin được đặt trong vỏ kim loại hoặc nhựa. Bên trong lớp vỏ này
là catot, kết nối với cực dương và anot kết nối cực âm. Các thành phần này được gọi các điện
cực, chiếm hầu hết không gian trong pin và là nơi mà các phản ứng hóa học xảy ra.
Một lớp phân cách tạo ra một rào chắn giữa catot và anot, ngăn ngừa các điện cực này
tiếp xúc với nhau trong khi các điện tích vẫn có thể lưu thông tự do. Lớp trung gian cho phép
các điện tích chạy giữa cực âm và cực dương được gọi là điện phân. Cuối cùng, anot được nối
với đầu âm và catot nối với đầu dương để truyền điện ra ngoài.
1.2.2. Phản ứng hóa học bên trong pin
Rất nhiều phản ứng xảy ra bên trong pin khi ta bật một chiếc đèn pin, điều khiển từ xa
hoặc các thiết bị không dây khác. Trong khi các quy trình tạo ra dòng điện khác nhau đôi chút
tùy theo loại pin, nhưng nguyên lý hoạt động chẳng khác gì nhau.
9


Khi tải được nối với 2 cực, pin sản xuất điện thông qua một loạt các phản ứng điện từ
giữa cực dương và cực âm và điện phân. Ở anot xảy ra phản ứng oxi hóa trong đó hai hoặc
nhiều ion từ chất điện phân kết hợp với anot, tạo ra một hợp chất và giải phóng một hoặc nhiều
electron. Đồng thời, ở catot xảy ra phản ứng khử, trong đó chất làm catot, các ion và electron
tự do cũng kết hợp để tạo thành hợp chất.
Quy trình này thực sự rất đơn giản: Phản ứng ở cực âm (anot) tạo ra các electron điện
tử, và các phản ứng trong cực dương (catot) sẽ hấp thụ những electron đó. Kết quả là ta có
dòng điện. Các pin sẽ sản xuất điện liên tục cho đến khi một hoặc cả hai điện cực bị ăn mòn
hết khiến các phản ứng hóa học trên không thể xảy ra.
Pin hiện đại sử dụng nhiều loại hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo ra dòng
điện. Các pin hóa học thường gặp bao gồm:
- Pin kẽm – carbon: pin sử dụng điện cực kẽm, carbon khá phổ biến đối với các loại pin
rẻ tiền AAA, AA, C và pin khô D. Anot là kẽm còn catot là mangan dioxide, và chất điện phân
là amoni clorua hoặc kẽm clorua.
- Pin Alkaline (pin kiềm): pin hóa học này cũng phổ biến trong các loại pin AA, C và
pin khô D. Catot tạo thành từ hỗn hợp mangan dioxide, trong khi anot là một loại bột kẽm. Pin
được đặt tên theo chất điện phân bên trong là kali hydroxit, là một chất kiềm (alkaline)
- Pin Lithi-ion (có thể sạc lại): pin thường được sử dụng trong các thiết bị hiệu suất cao,
chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và xe điện. Nhiều chất được sử dụng
trong pin Lithi, nhưng một sự kết hợp phổ biến là Lithi Cobalt oxide để làm catot và cacbon
làm anot
- Pin chì – axit (có thể sạc): Đây là loại pin được sử dụng phổ biến trong các xe hơi hay
còn gọi là ắc quy. Các điện cực thường được làm bằng chì dioxide và chì kim loại, trong khi
chất điện phân là dung dịch axit sulfuric.
1.2.3. Khả năng sạc của pin
Cùng với sự phát triển không ngừng của thiết bị di động như máy tính xách tay, điện
thoại di động, máy nghe nhạc và các thiết bị điện không dây, nhu cầu về pin sạc đã tăng mạnh
trong những năm gần đây. Pin sạc xuất hiện từ năm 1859, khi nhà vật lí Pháp Gaston Plante
phát minh ra pin chì – axit. Với cực âm là kim loại chì, cực dương là chì dioxide và sử dụng
axit sulfuric làm chất điện phân, pin Plante là một tiền thân của ắc quy trên xe hơi ngày nay.
Pin không có khả năng sạc (pin sơ cấp), và pin có thể sạc (pin thứ cấp), đều sản xuất
hiện theo cùng một cách giống nhau: thông qua một phản ứng điện hóa có sự tham gia của cực
dương, cực âm và chất điện phân. Trong loại pin có thể sạc được, phản ứng đó có thể đảo
ngược. Khi pin được cấp năng lượng điện từ một nguồn bên ngoài, dòng electron bị đảo
ngược, các electron chạy từ cực dương sang cưc âm, pin được sạc. Pin sạc phổ biến nhất trên
thị trường hiện nay là Lithi-ion (Lion), thay thế cho pin nickel-metal hydride (NiMH) và nickel
cadmium (NiCd) từng rất phổ biến trước đây.
Khi nói đến pin sạc, không phải tất cả các pin được tạo ra giống nhau. Pin NiCd là pin
sạc được phổ biến rộng rãi đầu tiên nhưng nó gặp phải vấn đề gọi là “hiệu ứng nhớ”. Về cơ
bản, nếu loại pin này không được xả hoàn toàn mỗi khi được sử dụng, nó sẽ nhanh chóng bị
mất dung lượng. Vì thế Pin NiCd đã bị thay thế bởi pin NiMH. Loại pin thứ cấp này có công
suất cao hơn và được thiết kế để giảm thiểu tác động từ hiệu ứng nhớ, nhưng thời gian lưu kho
không cao. Giống như pin NiMH, pin Lion có tuổi thọ cao, nhưng có khả năng giữ điện tốt
hơn, hoạt động ở điện áp cao hơn, và nhỏ nhẹ hơn nhiều. Tuy nhiên, pin Lion vẫn chưa thể
10


xuất hiện trong các cỡ pin tiêu chuẩn như AAA, AA, C hoặc D và giá thành vẫn cao hơn đáng
kể hơn so với các loại pin cũ khác.
Công nghệ chế tạo pin đã đạt được nhiều thành tựu kể từ những ngày đầu tiên xuất hiện
pin Volta. Những phát triển này phản ánh rõ rệt nhất sự nhảy vọt của thế giới đồ điện xách tay,
thế giới mà ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào những nguồn năng lượng di động này. Nhưng
chắc chắn rằng trong tương lai, thế hệ pin tiếp theo sẽ ngày càng nhỏ hơn mạnh mẽ hơn và có
độ bền cao hơn.
1.3. Giới thiệu về nguồn điện hóa học
1.3.1. Điều kiện để hệ điện hóa trở thành nguồn điện hóa học
Nguồn điện hóa học được xem là thiết bị để biến trực tiếp năng lượng hóa học thành
năng lượng điện. Trên cơ sở của các quá trình phản ứng oxi hóa khử xảy ra khác nhau trong
các hệ điện hóa, người ta có thể tạo ra rất nhiều nguồn điện hóa học. Nhưng không phải tất cả
các hệ điện hóa được tạo ra đều được xem là nguồn điện hóa học. Để cho hệ điện hóa trở thành
nguồn điện hóa học cần thỏa mãn các điều kiện sau:
a) Sức điện động E của nguồn điện phải đủ lớn.
Hệ điện hóa (pin hoặc ắc quy) có khả năng tạo ra sức điện động lớn về mặt nhiệt động
học. Nếu E là sức điện động của hệ điện hóa (pin điện), ∆H 0 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng
xảy ra trong pin. Khi đó sức điện động E được tính:
E =−

∆H 0
 dE 
+T 
÷
ZF
 dT  p

(1)

trong đó Z là số electron tham gia phản ứng oxi hóa khử

dE
là hệ số nhiệt
dT

b) Về quan hệ giữa sức điện động E và thế V của nguồn điện
Sức điện động E là đại lượng quan trọng nhất của nguồn điện, nó là hiệu thế các điện
cực với giá trị đo được khi không có dòng ngoài đi quan nguồn điện hóa học.
Thế của nguồn điện hóa học là hiệu thế các điện cực khi hệ điện hóa – pin điện bị khép
kín mạch, kí hiệu là V. Vậy khi pin làm việc thì giá trị V < sđđ E, nguồn điện có chất lượng cao
nếu giá trị của V có giá trị tối đa xấp xỉ bằng sđđ E
Như đã biết: V = E – ∆Ec – ∆Ea – Ir
(2)
Trong đó: ∆Ec: phân cực catot; ∆Ea; phân cực anot; r: điện trở nội; I: cường độ dòng điện
V = E – (Rpc + Rpa + r)I = E – IR
(3)
Trong đó: Rpc, Rpa gọi là điện trở phân cực catot và anot
Vậy thế V nhở hơn sức điện động E một giá trị IR. Đối với nguồn điện hóa học sực phụ
thuộc giữa V và I là một đặc trưng quan trọng.
Để tăng giá trị của V thì R phải giảm, nghĩa là phải giảm độ phân cực catot và anot sao
cho các quá trình điện hóa xảy ra rất nhanh đồng thời phải giảm tối đa điện trở nội r của nguồn
điện. Muốn vậy nguồn điện phải có cấu trúc đặc biệt, như làm giảm khoảng cách đến mức tối
đa giữa các điện cực, dùng chất điện li có độ dẫn điện cao,… Khi phóng điện với mật độ dòng
nhỏ thì sự giảm thế của nguồn điện không lớn nhưng khi phóng điện với dòng lớn thì độ giảm
thế lớn. Ví dụ với ắc quy chì axit, giá trị điện trở R của chất điện li và các lá cách giữa các điện
cực cách nhau 1,5 mm xấp xỉ bằng 0,006Ω/ dm 2. Khi mật độ dòng phóng điện tương đối lớn
khoảng 12A/dm2 thì sự giảm thế khoảng 70mV và xấp xỉ bằng 3,5% sức điện động của ắc quy.
11


c) Dung lượng và năng lượng của nguồn điện phải đủ lớn
Dung lượng và năng lượng của nguồn điện là một trong những đại lượng quan trọng đặc
trưng cho nguồn điện hóa học.
Dung lượng của nguồn điện hóa học là lượng điện do nguồn cung cấp khi phóng điện.
Nếu nguồn điện bị phóng điện với dòng điện I (A) trong khoảng thời gian τ giờ thì dung lượng
C của nó sẽ bằng: C = I. τ
(4)
Khi phóng điện trên một điện trở ngoài R không đổi thì cường độ dòng bị biến đổi.
Trong trường hợp đó dung lượng CR được tính theo công thức:
τ
τ
Vtb .τ
1
CR = ∫ I .dτ (5)
hoặc CR = ∫ V.dτ =
(6)
R

0

R

0

trong đó: Vtb: thế trung bình
Khi phóng điện, thế của nguồn điện giảm vì có sự phân cực và điện trở tăng lên theo
thời gian. Hình 12 trình bày sự phụ thuộc của thế theo thời gian. Diện tích OABC xác định giá
trị tích phân theo phương trình (6). Đương nhiên với các nguồn điện có giá giá trị tích phân
này càng lớn thì chất lượng nguồn càng cao, nghĩa là có giá trị dung lượng CR càng lớn.

Hình 12: Đường cong phóng điện của nguồn điện hóa học theo thời gian
Năng lượng của nguồn điện Ai là lượng năng lượng cung cấp cho mạch ngoài khi phóng
điện. Giá trị năng lượng này bằng tích số của dung lượng điện và thế trung bình V tb. Vậy ta có:
τ

Ai = I ∫ V.dτ = I .τ .Vtb

(7)

0

Khi nguồn điện phóng điện trên một điện trở ngoài không đổi thì năng lượng của nguồn
τ
Vtb2 .τ
1
2
V
.
d
τ
=
được tính theo phương trình:
AR = ∫
(8)
R

R

0

Thường người ta dùng khái niệm năng lượng riêng của nguồn điện hóa học thay cho
năng lượng của nguồn điện.
Năng lượng riêng là năng lượng của nguồn điện tính cho một đơn vị khối lượng hoặc
đơn vị thể tích của chất hoạt động bề mặt. Đại lượng này phụ thuộc vào điều kiện phóng điện.
12


Ngoài các đại lượng trên, người ta còn dùng khái niệm công suất riêng để so sánh chất lượng
các nguồn điện. Công suất riêng của nguồn điện là năng lượng do nguồn điện cung cấp tính
cho một đơn vị thời gian của một đơn vị thể tích hay là một đơn vị khối lượng của nguồn điện
hóa học.
d) Sự tự phóng điện của nguồn điện phải thấp
Trong quá trình bảo quản các nguồn điện, dung lượng của chúng giảm dần theo thời
gian. Hiện tượng đó được gọi là sự tự phóng điện. Lý do chính của hiện tượng tự phóng điện là
sự hình thành các nguyên tố vùng. Chúng làm mất dần các chất hoạt động của điện cực dẫn
đến sự hư hỏng các điện cực. Mặt khác các nguyên tố này sinh ra sức điện động có dấu ngược
với sức điện động của nguồn, vì thế giảm sức điện động của nguồn điện hóa học. Sở dĩ có các
nguyên tố vùng là vì trên các điện cực có lẫn tạp chất có quá thế hiđro thấp (đối với ắc quy
axit) hoặc trong dung dịch chất điện li có chứa các ion đa hóa trị. Ví dụ: Fe2+ và Fe3+
1.3.2. Các đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng của nguồn điện
hóa học
a) Dung lượng C [Ah] và dung lượng riêng [Ah/kg]
Dung lượng chỉ điện lượng tích trữ được tính bằng tích cường đồ dòng điện I [A] nhân
với thời gian t [h]. Để xác định dung lượng định danh của một nguồn điện, người ta phóng
điện ở Ichuẩn = const theo thời gian cho đến khi điện thế của nguồn điện sụt đến một giá trị V d
quy định.
Dung lượng riêng là điện lượng tích trữ qui trên đơn vị khối lượng [Ah/kg] hoặc quy
trên đơn vị thể tích [Ah/lít]. Một nguồn điện tốt cần phải có dung lượng tích trữ lớn, nhưng kết
cấu phải gọn và nhẹ. Tất nhiên, bản chất của điện cực đóng vai trò quyết định. Dung lượng
riêng của các vật liệu nguồn điện phổ cập như chì là 260 [Ah/kg], kẽm là 820 [Ah/kg], còn
Lithi là 3860 [Ah/kg]; vì vậy xu thế phát triển nguồn điện có dung lượng cao phải dựa trên cơ
sở Lithi.
b) Công suất P [W] và công suất riêng [W/kg]
Công suất của nguồn điện được tính bằng tích của điện
thế V [V] nhân với cường độ dòng điện I [A]: P = V x I. Quá
trình phóng điện (hình 13) sẽ làm cho điện thế định danh Vđd
của nguồn điện giảm dần. Vì vậy để tính công suất P, điện thế
V sẽ là giá trị trung bình của Vđd vàVd (Vđd ≡ điện thế hở
mạch hay sức điện động của nguồn điện EOC).
Công suất riêng là đại lượng tính trên đơn vị khối
lượng [W/kg] hoặc trên đơn vị thể tích [W/dm3; W/lít].
Hình 13: Đồ thị V/P = f(I)
c) Mật độ năng lượng E [Wh/kg] hoặc [Wh/dm3]
Mật độ năng lượng là đại lượng năng lượng riêng, được tính bằng tích của dung lượng
riêng [Ah/kg] nhân với điện thế [V].
Mật độ năng lượng cũng là thước đo hữu ích về khả năng tích trữ và làm việc của nguồn
điện. Có một thực tế là các nguồn điện hóa học ở trình độ công nghệ hiện nay mới chỉ đạt ~ 1/3
giá trị lý thuyết về mật độ năng lượng. Ví dụ: ở ắc quy chì axit, mật độ năng lượng lý thuyết là
165 Wh/kg, trong thực tế phổ biến chỉ đạt 50 Wh/kg. Các nguyên nhân dẫn đến giới hạn về
mật độ năng lượng gồm có nguyên nhân do bản chất động học của quá trình điện cực xảy ra
trong nguồn điện lẫn nguyên nhân do kết cấu chưa hợp lý của nguồn điện.
13


d) Hiệu suất η [%]
Hiệu suất điện hóa η là đại lượng đặc trưng cho hiệu quả của q trìn chuyển hóa năng
lượng điện hóa
η [%] =


ng lượng thực tếEt

ng lượng thực tếElt

(9)

Năng lượng lý thuyết có thể tính: Ett = A’max = n.F.E

(10)



Năng lượng thực tế thu được: Et = ∫ (V .I )dt

(11)

0

Vì năng lượng thực tế phụ thuộc vào độ phóng điện, nên để tiện cho việc xác định, ta tiến
hành phóng điện ở Ichuẩn = const liên tục cho đến V d, thời gian theo dõi tương ứng là t d. Do
td

đó:

Et = I .∫ Vdt

(12)

0

V là hiệu điện thế của nguồn điện biến thiên theo thời gian, ln ln nhỏ hơn sức điện
động E của nguồn điện vì:
V = E – (ηa + |ηc| + IR)
(13)
Trong đó ηa, ηc lần lượt là q thế anot và catot khi có dòng điện đi qua, IR là đại lượng
sụt ơm thuần túy.
Hiệu suất thực tế của các loại nguồn điện hóa học có thể dao động trong khoảng 30 …
70. Giới hạn trên đặc trưng cho các loại nguồn điện cao cấp.
Để tiện cho việc sử dụng, người ta còn dùng khái niệm hiệu suất Coulomb để chỉ hiệu
suất phóng/ nạp:

Hiệu suất Coulomb =

Dung lượng phó
ng =I ptp
Dung lượng nạp =I ntn

(14)

Nếu chọn Ip = In và theo dõi thời gian tp cho đến Vd quy định thì hiệu suất Coulomb của
nguồn điện hóa học dao động từ 70 … 90%

14


Hình 14: Mối quan hệ giữa vật liệu làm điện cực với đặc tính kỹ thuật của nguồn điện
Bảng 2: Giới thiệu các nguồn điện hóa học truyền thống được sử dụng phổ biến nhất
Mật độ năng lượng

Chất điện ly

Điện thế làm
việc [V]

[Wh/l]

[Wh/kg]

Pin Zn/MnO2
• Leclanché
• Clorua kẽm
• Kiềm

NH4Cl
ZnCl2
KOH

1.3 – 0.9
1.3 – 0.9
1.4 – 0.9

100
140
350

65
75
120

Ắc quy axit
Pb/PbO2

H2SO4

2.04 – 1.7

50 – 80

< 50

Ắc quy kiềm
Ni/Cd

KOH

1.3 – 0.9

60 – 70

35 – 55

Hệ

2. PIN LITHI-ION
2.1. Giới thiệu về pin Lithi-ion
2.1.1. Lịch sử phát minh
Pin Li-ion đầu tiên được đề xuất vào những năm 1970 bởi nhà hóa học người Mỹ
Michael Stanley Whittingham (1941) đến từ Đại học Binghamton sử dụng titanium sunfide và
15


kim loại Lithi thuần làm các điện cực. Dù vậy, do Lithi là một kim loại hoạt động mạnh nên
khi tiếp xúc với không khí dễ dàng xảy ra các phản ứng hóa học gây nguy hiểm. Chính vì vậy,
mô hình pin dùng Lithi thuần làm cực dương đã không được chấp nhận. Cùng thời gian này, J.
O. Besenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa than
chì và catot bằng oxit kim loại.
Tiếp theo vào năm 1979 tại Đại học Oxford, John Goodenough và Koichi Mizushima đã
chế tạo một loại pin sạc tạo ra dòng khoảng 4V sử dụng Lithi Cobalt Oxide (LiCoO 2) làm cực
dương và Lithi thuần làm cực âm. LiCoO 2 là một chất dẫn điện tích điện dương với tính ổn
định cao nên có thể cung cấp các ion Lithi nhằm tạo ra dòng điện. Khả năng này đã mở ra triển
vọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho các thế hệ pin hoàn toàn mới có thể sạc lại một cách
dễ dàng.
Năm 1977, Samar Basu đến từ đại học Pennsylvania đã chứng minh tính khả thi của
việc chế tạo và sử dụng pin điện hóa với các điện cực bằng Lithi và than chì. Không lâu sau
đó, mô hình này đã chính thức được chế tạo bởi các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Bell (hiện nay
là phòng thí nghiệm AT&T).
Vào năm 1980, Rachid Yazami tiếp tục chứng minh tính điện hóa thuận nghịch của
Lithi trong than chì. Dù vậy, các chất hữu cơ dùng làm chất điện phân trong thế hệ pin mới này
bị phân hủy trong quá trình sạc. Do đó, Yazami đã đề xuất hỗn hợp chất hữu cơ rắn bền vững
trong quá trình sạc làm chất điện phân. Mô hình chất điện phân của Yazami vẫn còn sử dụng
trong các thế hệ pin Li-ion cho đến hiện nay.
Đến năm 1983, Michael M. Thackeray, Goodnewa và các cộng sự đã xác định có thể
dùng khoáng chất Mangan Spinen để chế tạo cực dương cho pin Li-ion. Đây là loại khoáng
chất có tính dẫn điện tốt, giá thành rẻ và hoạt động ổn định. Tuy vẫn còn nhược điểm là bị tiêu
hao dần trong quá trình sạc nhưng vẫn có thể khắc phục bằng các biện pháp chỉnh sửa hóa học.
Cho đến năm 2013, Mangan Spinen vẫn tiếp tục được sử dụng cho các thế hệ pin Li-ion
thương mại.
Vào năm 1985, Akira Yoshino lắp ráp mô hình pin đầu tiên dựa trên tất cả các yếu tố
thành công từ trước, sử dụng vậy liệu cacbonate giúp giữ các ion Lithi trong 1 điện cực giúp
LiCoO2 bền vững trong không khí hơn. Chính vì lý do này, thế hệ pin Li-ion đã được hoàn
thiện và an toàn hơn rất nhiều so với trước đây.
Năm 1991, tập đoàn điện tử Sony chính thức thương mại hóa pin Li-ion dưới quy mô
sản xuất công nghiệp. Cho đến nay, hầu hết các hoạt động nghiên cứu đều xoay quanh việc cải
thiện hiệu suất của pin Li-on. Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, máy
tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và các thiết bị y tế, pin Li-ion hiện nay còn
được sử dụng cho xe điện. Đây là thế hệ pin đáng chú ý nhất tính đến thời điểm hiện tại do có
mức lưu trữ năng lượng riêng cao, thiết kế đơn giản, hiệu suất cao, cho dòng ổn định, chi phí
bảo trì thấp và khá thân thiện với môi trường.
Tiếp theo đó là sự kiện công ty Bellcore chính thức thương mại hóa pin Li-ion Polymer
vào năm 1994 sau quá trình nghiên cứu. Bước tiếp theo là pin sự xuất hiện của pin li-ion với
catot bằng mangan, pin li-phosphate được các nhà khoa học liên tục cải tiến và hoàn thiện để
chính thức thương mại hóa. Các nhà khoa học dự đoán tiếp theo sẽ là sự ra đời của những thế
hệ pin phát triển dựa trên tiến bộ của công nghệ nano giúp tăng cường hiệu suất cũng như kích
thước và tuổi thọ của pin.
2.1.2. Ứng dụng của pin Lithi-ion
16


Pin Li-ion cung cấp nguồn năng lượng cao có trọng lượng nhẹ và mật độ cao cho nhiều
loại thiết bị. Để sử dụng các thiết bị lớn hơn, chẳng hạn như xe điện, kết nối nhiều pin nhỏ
trong một mạch song song có hiệu quả hơn là kết nối một pin lớn. Các thiết bị như vậy bao
gồm:
Thiết bị di động: bao gồm điện thoại di động và điện thoại thông minh, máy tính xách
tay và máy tính bảng, máy ảnh kỹ thuật số và máy quay video, thuốc lá điện tử, bàn chơi game
cầm tay và đèn pin.
Dụng cụ điện: Pin Li-ion được sử dụng trong các công cụ như máy khoan không dây,
máy cưa và các thiết bị làm vườn khác nhau bao gồm cả máy kéo và máy cắt cỏ.
Xe điện: Do các loại pin Li-ion có trọng lượng nhẹ được sử dụng để điều khiển nhiều
loại xe điện như máy bay, xe điện, xe hybrid, xe lăn điện nâng cao, các mô hình điều khiển vô
tuyến, mô hình máy bay và tàu tuần dương Mars Curiosity.
Pin Li-ion được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông. Pin Lithi không dung sạc thứ
cấp cung cấp điện dự phòng đáng tin cậy để sạc thiết bị nằm trong môi trường mạng của nhà
cung cấp dịch vụ viễn thông điển hình. Các loại pin Li-ion phù hợp với các tiêu chí kỹ thuật cụ
thể được khuyến cáo sử dụng trong nhà máy bên ngoài (OSP) tại các địa điểm như Phòng kiểm
soát Môi trường (CEVs), Thiết bị Tủ điện tử (EEEs),…
2.1.3. Các loại pin Lithi – ion
Pin Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2)
Năng lượng đặc biệt cao của nó làm cho Li-cobalt trở thành sự lựa chọn phổ biến cho
điện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh số. Pin bao gồm catot làm bằng Lithium
Cobalt Oxide và anot làm bằng cacbon than chì. Catot có cấu trúc lớp và trong quá trình phóng
điện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi
sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot). Hình 1 minh hoạ cấu trúc của pin Li-cobalt.

Hình 15: Cấu trúc của Li-cobalt
Catot có cấu trúc lớp, trong quá trình phóng
điện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến
catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi
sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot)
Nguồn: Courtesy of Cadex

Hạn chế của pin Li-cobalt là tuổi thọ tương đối ngắn, độ ổn định nhiệt thấp và khả năng
chịu tải giới hạn. Pin Li-cobalt các loại pin khác mới hơn bao gồm niken, mangan và / hoặc
nhôm đang được phát triển và để cải thiện tuổi thọ, khả năng chịu tải và chi phí.
Pin Li-cobalt không được sạc và xả ở mức hiện tại cao hơn mức đánh giá C (C-rating)
của nó. Điều này có nghĩa là một tế bào 18650 với 2.400mAh chỉ có thể được sạc và xả ở
2.400mA. Việc sạc nhanh hoặc áp dụng một tải hơn 2.400mA gây quá nóng và tăng tải quá
mức. Để đạt được tốc độ sạc nhanh tối ưu, nhà sản xuất khuyến cáo tốc độ C là 0.8C hoặc
khoảng 2000mA. Mạch bảo vệ pin bắt buộc giới hạn mức phí và tốc độ xả tới mức an toàn
khoảng 1C đối với pin năng lượng.
17


Hình ảnh nhện hình lục giác (hình 27) tóm tắt hiệu suất của Li-cobalt về năng lượng
riêng (specific energy) hoặc lượng điện lưu trữ có liên quan đến thời gian chạy; Công suất
riêng (specific power ) hoặc khả năng cung cấp dòng điện cao; An toàn (safety); Hoạt động
(hoạt động) ở nhiệt độ nóng và lạnh; tuổi thọ (life pan) phản ánh chu kỳ làm việc và tuổi thọ;
và chi phí. Các đặc tính khác không được hiển thị trong mạng lưới nhện là độc tính, khả năng
sạc nhanh, tự xả và thời hạn sử dụng.

Hình 16: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-cobalt
Pin Li-Cobalt có năng lượng riêng cao nhưng công
suất riêng, độ an toàn và tuổi thọ trung bình.
Nguồn: Courtesy of Cadex

Bảng 3: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Cobalt Oxide
Lithium Cobalt Oxide: Catot: LiCoO2(~60% Co), anot: graphite
Dạng rút gọn: LCO or Li-cobalt, từ năm 1991
Điện áp

3.60V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell

Năng lượng riêng

150–200Wh/kg. . Các tế bào đặc biệt cung cấp lên đến 240Wh /
kg

Sạc (C-rate)

0.7–1C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào); sạc trong 3 giờ.
Dòng điện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin.

Xả (C-rate)

1C; trên 2.V sẽ cắt. Dòng điện xả trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ
của pin.

Chu kỳ sạc-xả

500–1000 lần, liên quan đến xả sâu, tải, nhiệt độ

Thoát nhiệt

150°C (302°F). Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt.

Ứng dụng

Điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy ảnh

Đánh giá

Năng lượng cao, hạn chế về công suất, sử dụng như các tế bào
năng lượng, giá thành của cobalt đắt, thị phần đã ổn định.

Pin Lithium Mangan Oxide (LiMn2O4)
Pin Li-ion với spinel mangan lần đầu tiên được công bố trong Bản tin nghiên cứu Vật
liệu năm 1983. Năm 1996, Moli Energy đã thương mại hóa một tế bào Li-ion với oxit mangan
Lithi làm vật liệu catot. Kiến trúc tạo thành một cấu trúc spinel ba chiều cải thiện luồng ion
trên điện cực, dẫn đến việc điện trở nội bộ thấp hơn và cải tiến việc xử lý hiện tại. Một lợi thế
nữa của spinel là ổn định nhiệt độ cao và tăng cường độ an toàn, nhưng chu kỳ và tuổi thọ rất
hạn chế.
18


Điện trở trong tế bào nội vi thấp cho phép sạc nhanh và xả điện cao. Trong gói 18650,
pin Li-mangan có thể được thải ra ở dòng 20-30A với nhiệt độ tích tụ vừa phải. Cũng có thể áp
dụng xung tải một giây lên đến 50A. Một tải liên tục cao ở dòng điện này sẽ gây ra sự tích tụ
nhiệt và nhiệt độ của tế bào không thể vượt quá 80 ° C (176 ° F). Pin Li-mangan được sử dụng
cho các dụng cụ điện, dụng cụ y tế, cũng như xe hybrid và điện.
Hình 28 minh họa việc hình thành một khuôn hình tinh thể ba chiều trên cực âm của pin
Li-mangan. Cấu trúc spinel, thường bao gồm các hình dạng kim cương kết nối vào mạng tinh
thể, xuất hiện sau khi hình thành ban đầu.
Hình 17: Cấu trúc Li-mangan.
Sự hình thành tinh thể catot của oxit
mangan Lithi có cấu trúc khung ba
chiều xuất hiện sau khi hình thành ban
đầu. Spinel cung cấp điện trở thấp
nhưng có năng lượng riêng trung bình
hơn cobalt. Nguồn: Courtesy of Cadex
Pin Li-mangan có năng suất thấp hơn một phần ba so với Pin Li-cobalt. Tính linh hoạt
của thiết kế cho phép các kỹ sư tối đa hóa tuổi thọ pin, dòng điện tải tối đa (công suất riêng)
hoặc công suất cao (năng lượng riêng). Ví dụ, phiên bản cuộc đời dài trong tế bào 18650 có
công suất vừa phải chỉ có công suất trung bình là1.100mAh; phiên bản công suất cao là
1.500mAh.
Hình 29 cho thấy mạng nhện của một pin Li-mangan điển hình. Những đặc điểm này
xuất hiện ít nhưng thiết kế mới hơn đã được cải thiện về mặt sức mạnh, an toàn và tuổi thọ cụ
thể. Pin Li-Mangan tinh khiết không còn phổ biến ngày nay; chúng chỉ có thể được sử dụng
cho các ứng dụng đặc biệt.

Hình 18: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-mangan
tinh khiết
Mặc dù hiệu suất tổng thể trung bình, thiết kế
mới hơn của Li-mangan mang lại những cải tiến
về công suất, an toàn và tuổi thọ cụ thể.
Nguồn: Boston Consulting Group

Hầu hết Li-mangan trộn với oxit cobalt mangan niken (NMC) Lithi để cải thiện năng
lượng riêng và kéo dài tuổi thọ. Sự kết hợp này mang lại sự tốt nhất trong mỗi hệ thống, và
LMO (NMC) được chọn cho hầu hết các loại xe điện, chẳng hạn như Nissan Leaf, Chevy Volt
và BMW i3. Phần LMO của pin, có thể khoảng 30%, cung cấp tăng tốc hiện tại cao; Phần
NMC cho phép tầm lái dài.
Nghiên cứu pin Li-ion hấp dẫn rất nhiều trong việc kết hợp Li-mangan với coban,
niken, mangan và / hoặc nhôm làm vật liệu catốt hoạt động. Trong một số kiến trúc, một lượng
19


nhỏ silic được thêm vào cực dương. Điều này cung cấp tăng 25% công suất; tuy nhiên, việc
tăng này được thường kết nối với một chu kỳ làm việc ngắn hơn.
Ba kim loại hoạt động, cũng như việc tăng cường silicon có thể được lựa chọn thuận
tiện để tăng năng lượng riêng (công suất), công suất riêng (khả năng tải) hoặc tuổi thọ. Mặc dù
pin tiêu dùng có dung lượng cao, các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hệ thống pin có khả năng
tải tốt, cung cấp một tuổi thọ lâu dài và cung cấp dịch vụ an toàn và đáng tin cậy.
Bảng 4: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Manganese Oxide
Lithi Manganese Oxide: catot: LiMn2O4; anot: graphite
Dạng rút gọn: LMO or Li-manganese (cấu trúc spinel); Từ năm 1996
Điện áp

3.70V (3.80V) danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell

Năng lượng riêng

100–150Wh/kg

Sạc (C-rate)

0.7–1C, cao nhất: 3C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào)

Xả (C-rate)

1C; có thể là 10C đối với một vài tế bào, 30C xung (5s), 2.50V
sẽ cắt

Chu kỳ sạc-xả

300–700 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt

250°C (482°F). Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt.

Ứng dụng

Dụng cụ điện, thiết bị y tế, hệ thống truyền động điện

Đánh giá

Năng lượng cao nhưng công suất thấp; an toàn hơn Pin Licobalt; thường trộn lẫn với NMC để cải thiện hiệu suất.

Pin Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 hoặc NMC)
Một trong những hệ thống pin Li-ion thành công nhất là một sự kết hợp catốt của
nickel-mangan-cobalt (NMC). Tương tự như Li-mangan, các hệ thống này có thể được điều
chỉnh để phục vụ như là các tế bào năng lượng hoặc các tế bào điện năng. Ví dụ, NMC trong
một tế bào 18650 cho điều kiện tải trung bình có công suất khoảng 2.800 mAh và có thể cung
cấp 4A đến 5A; NMC trong cùng một tế bào được tối ưu hóa cho điện cụ thể có công suất chỉ
khoảng 2.000 mWh nhưng cung cấp một dòng chảy xả liên tục của 20A. Một anot nền silicon
sẽ tăng lên đến 4.000mAh và cao hơn nhưng ở khả năng tải giảm và tuổi thọ ngắn hơn. Silicon
được thêm vào graphite có nhược điểm là anot phát triển và thu hẹp với việc sạc và xả, làm
cho tế bào không ổn định về mặt cơ học.
Bí mật của NMC nằm trong việc kết hợp niken và mangan. Một ví dụ tương tự của điều
này là muối ăn, trong đó các thành phần chính, natri và clorua (có sự độc hại riêng), nhưng
trộn chúng làm gia vị muối và thức ăn gia cầm. Nickel được biết đến với năng lượng đặc trưng
cao nhưng sự ổn định kém; Mangan có lợi ích trong việc tạo thành cấu trúc spinel để đạt được
điện trở nội tại thấp nhưng cung cấp năng lượng riêng thấp. Kết hợp các kim loại tăng cường
sức mạnh của nhau.
NMC là pin được lựa chọn cho các công cụ điện, xe đạp điện và các hệ thống điện khác.
Sự kết hợp để làm catot thường là niken nano : mangan : cobalt, với tỉ lệ 1:1:1. Điều này cung
cấp một sự pha trộn độc đáo mà cũng làm giảm chi phí nguyên vật liệu do giảm hàm lượng
cobalt. Một thành công khác là NCM với 5 phần niken, 3 phần coban và 2 phần mangan. Có
thể kết hợp thêm bằng cách sử dụng một số lượng vật liệu catot khác nhau. Chất điện phân và
20


chất phụ gia mới có thể sạc tới 4.4V / ô và cao hơn để tăng công suất. Hình 7 thể hiện các đặc
tính của NMC.

Hình 19: Tóm tắt hiệu suất của NMC.
NMC có hiệu suất tổng thể tốt và vượt trội
về năng lượng riêng. Pin này là ứng cử viên
được ưa thích cho xe điện và có tỷ lệ tự gia
nhiệt thấp nhất.
Nguồn: Boston Consulting Group

Có một động thái hướng đến Li-ion kết hợp với NMC vì hệ thống có thể được xây dựng
về mặt kinh tế và đạt được hiệu suất tốt. Ba chất hoạt tính của niken, mangan và coban có thể
dễ dàng pha trộn cho phù hợp với nhiều ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng và ô tô
(EES) cần phải đi xe đạp thường xuyên.
Bảng 5: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2 - catot, graphite – anot
Dạng rút gọn: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN - tương tự với các kết hợp kim loại
khác nhau) Từ năm 2008
Điện áp

3.60V, danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell, hoặc cao
hơn

Năng lượng riêng

150–220Wh/kg

Sạc (C-rate)

0.7–1C, sạc đến 4.20V, có một số có thể sạc đến 4.30V; sạc
trong 3 giờ. Dòng điện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin.

Xả (C-rate)

1C; một số tế bào có thể đến 2C; 2.50V sẽ cắt

Chu kỳ sạc-xả

1000–2000 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt

210°C (410°F) . Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt.

Ứng dụng

Xe đạp điện, thiết bị y tế, công nghiệp

Đánh giá

Cung cấp năng lượng cao và công suất cao. Sử dụng nhiều mục
đích trong hóa học. Thị phần đang gia tăng.

Pin Lithium Sắt Phốt phát (LiFePO4)
Năm 1996, Đại học Texas và các cộng tác viên khác đã phát hiện ra chất phosphate làm
vật liệu catot cho pin Lithi có thể sạc lại. Pin Li-phosphate mang lại hiệu năng điện hóa tốt với
điện trở thấp. Điều này được thực hiện bằng vật liệu catot phosphate có kích thước nano. Các
lợi ích chính là tốc độ dòng cao và tuổi thọ dài, bên cạnh đó là sự sự ổn định nhiệt tốt, tăng
cường an toàn.
Pin Li-phosphat chịu được điều kiện đầy đủ và ít bị quá tải hơn các hệ thống Lithi-ion
khác nếu giữ ở điện áp cao trong một thời gian dài. Là một sự cân bằng, điện áp danh định
21


dưới 3.2V / cell làm giảm năng lượng riêng dưới mức Lithi-ion cobalt. Với hầu hết pin, nhiệt
độ lạnh giảm hiệu suất và nhiệt độ cất cao làm giảm tuổi thọ, và pin Li-phosphate cũng không
phải là ngoại lệ. pin Li-phosphate có lượng tự xả cao hơn các loại pin Li-ion khác, có thể gây
ra sự cân bằng giữa lão hóa. Sự cẩn trọng trong sản xuất có tầm quan trọng đối với tuổi thọ. Độ
ẩm gây ảnh hưởng không tốt đến pin vì vậy pin sẽ chỉ phân phối 50 chu kỳ. Hình 9 tóm tắt các
thuộc tính của pin Li-phosphate.

Hình 20: Tóm tắt hiệu suất của của pin Liphosphate điển hình.
Pin Li-phosphate có độ an toàn và tuổi thọ cao
nhưng năng lượng riêng vừa phải và sự tự xả cao.
Nguồn: Courtesy of Cadex

Pin Li-phosphate thường được sử dụng để thay thế pin chì khởi động. Bốn tế bào trong
loạt sản xuất 12.80V, một điện áp tương tự tới sáu pin chì axit 2V trong chuỗi. Các phương tiện
sạc chì axit đến 14.40V (2.40V / cell) và duy trì một quá trình sạc cao. Với bốn pin Liphosphate liên tiếp, mỗi tế bào đều có điện áp 3,60 V, đây là điện áp đầy đủ cần thiết. Tại thời
điểm này, quá trình sạc phải được ngắt kết nối nhưng một quá trình sạc vẫn tiếp tục trong khi
lái xe. Pin Li-phosphate có khả năng chịu đựng được việc sạc quá mức; Tuy nhiên, giữ điện áp
ở 14.40V trong một thời gian dài, như hầu hết các xe chạy trên một thời gian dài, có thể ảnh
hưởng đến chất lượng pin Li-phosphate. Hoạt động của nhiệt độ lạnh bắt đầu cũng có thể là
một vấn đề với Li-phosphate như một pin khởi động.
Bảng 6: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Iron Phosphate
Lithium Iron Phosphate: LiFePO4 - catot, graphite - anot
Dạn rút gọn: LFP or Li-phosphate; Từ năm 1996
Điện áp

3.20, 3.30V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 2.5–3.65V/cell

Năng lượng riêng

90–120Wh/kg

Sạc (C-rate)

1C, sạc tới to 3.65V; sạc trong 3 giờ

Xả (C-rate)

1C, 25C trên một vài tế bào; 40A xung (2s); 2.50V sẽ cắt (thấp
hơn 2V sẽ gây nguy hiểm)

Chu kỳ sạc-xả

1000–2000 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt

270°C (518°F); rất an toàn khi được sạc đầy

Ứng dụng

Máy di động và văn phòng cần dòng điện và độ bền cao

Đánh giá

Đường cong xả điện áp rất phẳng nhưng công suất thấp. Một
trong những loại pin Li-ion an toàn nhất. Được sử dụng cho các
thị trường đặc biệt. Tự xả cao

Pin Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2)
22


Pin Lithium niken cobalt nhôm oxide, hoặc NCA, đã được sử dụng từ năm 1999 cho các ứng
dụng đặc biệt. Nó giống như NMC, cung cấp năng lượng riêng cao, công suất riêng cao và tuổi
thọ dài. Hình 11 tóm tắt sáu đặc điểm chính. NCA là một sự phát triển hơn nữa của oxit Lithi
nikel; cộng thêm nhôm đã cung cấp cho sự ổn định hóa học lớn hơn

Hình 21: Tóm tắt hiệu suất của NCA.
Mật độ năng lượng và công suất cao, cũng như tuổi
thọ tốt, làm cho NCA trở thành ứng cử viên cho hệ
thống truyền động EV. Chi phí cao và an toàn biên
là những tiêu cực. Nguồn: Courtesy of Cadex

Bảng 7: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoAlO2 - catot (~9% Co), graphite - anot
Dạng rút gọn: NCA or Li-aluminum. Từ năm 1999
Điện áp

3.60V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell

Năng lượng riêng

200-260Wh/kg; 300Wh/kg có thể dự đoán

Sạc (C-rate)

0.7C, Sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào), sạc trong 3 giờ, một
số tế bào có thể sạc nhanh

Xả (C-rate)

1C; 3.00V sẽ cắt; tốc độ xả cao sẽ làm giảm tuổi thọ pin.

Chu kỳ sạc-xả

500 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt

150°C (302°F) typical, Quá trình sạc nhanh thúc đẩy sự thoát
nhiệt.

Ứng dụng

Thiết bị y tế, công nghiệp, hệ thống truyền động điện

Đánh giá

Tính chất tương đồng với Li-cobalt. Phục vụ như tế bào năng
lượng.

Pin Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
Pin với anot bằng Lithium titanate đã được biết đến từ những năm 1980. Li-titanat thay
thế graphite trong cực âm (anot) của pin Lithi-ion điển hình và vật liệu tạo thành cấu trúc
spinel. Các cực dương (catot) có thể là oxit mangan Lithi hoặc NMC. Pin Li-titanate có điện
thế danh định là 2.40V, có thể được sạc nhanh và cung cấp dòng điện xả cao 10C, hoặc gấp 10
lần công suất định mức. Số lượng chu kỳ được cho là cao hơn so với Li-ion thông thường. Lititanat an toàn, có đặc tính phóng điện cực tốt ở nhiệt độ thấp và đạt được công suất 80% ở
-30°C (-22°F). Tuy nhiên, pin có giá thành đắt và ở 65Wh / kg có năng lượng riêng thấp. Pin
Li-titanate sạc đến 2.80V / tế bào, và kết thúc xả là 1.80V / tế bào. Hình 13 minh họa các đặc
tính của pin Li-titanate. Sử dụng điển hình là các hệ thống điện, UPS và chiếu sáng đường phố
chạy bằng năng lượng mặt trời.
23


Hình 22: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-titanate.
Pin Li-titanate vượt trội về độ an toàn, hoạt động
ở nhiệt độ thấp và tuổi thọ. Các nỗ lực đang được
thực hiện để cải thiện năng lượng riêng và chi phí
thấp hơn. Nguồn: Boston Consulting Group

Bảng 8: Tóm tắt đặc tính của pin Lithi Titanate
Lithium Titanate: Catot có thể Lithium manganese oxide or NMC; anot: Li4Ti5O12 (titanate)
Dạng rút gọn: LTO or Li-titanate. Được thương mại hóa từ khoảng năm 2008.
Voltages

2.40V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 1.8–2.85V/cell

Specific energy (capacity)

70–80Wh/kg

Charge (C-rate)

1C thông thường; cao nhất là 5C, sạc đếb 2.85V

Discharge (C-rate)

Có thể: 10C, 30C xung (5s); 1.80V sẽ cắt trên LCO/LTO

Cycle life

3,000–7,000 lần

Thermal runaway

Một trong những pin Li-ion an toàn nhất

Applications

UPS, hệ thống truyền động điện powertrain, Chiếu sáng đường
phố bằng năng lượng mặt trời

Comments

Tuổi thọ cao, sạc nhanh, phạm vi nhiệt độ rộng nhưng năng
lượng riêng thấp và đắt tiền. Là một trong số các pin Li-ion an
toàn nhất.

Hình 34 so sánh
năng lượng riêng của các
hệ thống dựa trên chì,
niken và Lithi. Trong khi
Li-nhôm (NCA) có ưu
thế rõ ràng bằng cách lưu
trữ nhiều năng lượng hơn
các hệ thống khác, điều
này chỉ áp dụng cho năng
lượng riêng. Về sức
mạnh riêng và nhiệt độ,
Li-mangan (LMO) và Liphosphate (LFP) là đẳng
cấp. Li-titanat (LTO) có
thể có công suất thấp
24


nhưng loại pin này tồn tại lâu hơn hầu hết các loại pin khác về tuổi thọ và cũng có hiệu suất ở
nhiệt độ lạnh tốt nhất. Động cơ chạy bằng điện, độ an toàn và vòng đời sẽ đạt được sự vượt trội
về
công
suất.
Hình 23: Năng lượng riêng điển hình của pin chì, niken và Lithi.
Nguồn: Courtesy of Cadex
Bảng 9: Tóm tắt các đặc tính của các pin Li-ion chính.
Lithium
Cobalt
Oxide

Lithium
Manganese
Oxide

Lithium
Nickel
Manganese

Lithium
Iron
Phosphate

Lithium
Nickel Cobalt
Aluminum
Oxide

Lithium
Titanate

Li-cobalt

Li-manganese

NMC

Li-phosphate

Li-aluminum

Li-titanate

LiCoC2
(LCO)

LiMn2O4
(LMO)

LiNiMnCO2
(NMC)

LiFePo4
(LFP)

LiNiCoAlO2(N
CA)

Li2TiO3
(LTO)

3.60V

3.70V
(3.80V)

3.60V (3.70V)

3.20, 3.30V

3.60V

2.40V

4.20V

4.20V

4.20V (or
higher)

3.65V

4.20V

2.85V

Xả đầy

3.00V

3.00V

3.00V

2.50V

3.00V

1.80V

Điện áp tối
thiểu

2.50V

2.50V

2.50V

2.00V

2.50V

1.50V (est.)

Năng lượng
riêng

150–
200Wh/kg

100–
150Wh/kg

150–
220Wh/kg

90–
120Wh/kg

Tốc độ sạc

0.7–1C
(3h)

0.7–1C (3h)

0.7–1C (3h)

1C (3h)

1C

1C (5C max)

1C (1h)

1C, 10C
possible

1–2C

1C (25C
pule)

1C

10C possible

500–1000
lần

300–700 lần

1000–2000
lần

1000–2000
lần

500 lần

3,000–7,000
lần

150°C (cao
hơn khi
rỗng)

250°C
(cao hơn khi
rỗng)

210°C
(cao hơn khi
rỗng)

270°C (an 150°C (cao hơn
toàn khi sạc
khi rỗng)
đầy)

Dạng rút gọn
Chữ viết tắt
Điện áp
Sạc đầy

Tốc độ xả
Chu kỳ (tuổi
thọ)

Thoát nhiệt

Bảo trì

200-260Wh/kg 70–80Wh/kg

Một trong
những pin
Li-on an
toàn nhẩ

Giữ mát, lưu trữ một phần sạc, ngăn ngừa những chu kỳ sạc đầy, sử dụng dòng điện sạc và
xả vừa phải

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×