Pin và ăc quy - Phát triển công nghệ và thị trường
ĐỀ TÀI Pin và ăc quy - Phát triển công nghệ và thị trường I. mở đầu Nguồn điện hóa học là một hệ thống tích trữ năng lợng hóa học và khi sử dụng đợc biến đổi thành điện năng dới dạng dòng điện một chiều. Ra đời vào đầu thế kỷ 18 (nh pin volta - năm 1800; ăcqui axit chì do G. Planté phát minh năm 1859; pin Leclanché năm 1866 trớc cả phát minh ra đynamô điện do W. von Siemens), các nguồn điện hóa học đã chứng tỏ là một phơng tiện có hiệu suất biến đổi năng lợng khá cao (60 - 90%) và ngày càng trở thành nguồn năng lợng phụ trợ không thể thiếu đợc trong đời sống và công nghiệp. Nguồn điện hóa học có thể cung cấp năng lợng từ vài chục mWh (dùng trong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt trong cơ thể, v.v ) cho đến hàng trăm kWh (dùng chạy ô tô điện thế hệ HEV, EV sẽ thay động cơ xăng) hoặc cực đại đến hàng chục MWh (trạm phát điện bằng pin nhiên liệu). Ngày nay chỉ riêng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, bu chính viễn thông và điện tử không dây đang đợc phát triển một cách bùng nổ, ta sẽ không thể hình dung nổi nếu không có các "nguồn điện bỏ túi" tiên tiến - đóng vai trò nh là trái tim của hệ thống huyết mạch trong các phơng tiện này. Trong chuyên đề "Nguồn điện hóa học - thành tựu và triển vọng", đợc Trung tâm KHKT Hóa chất xuất bản vào tháng 6/1995, khi giới thiệu tổng luận phân tích giai đoạn 1980 - 1995, tác giả có đề cập đến dự báo và chiến lợc phát triển nguồn điện hóa học trên thế giới cho đến cuối thế kỷ 20. Trong đó có nói về triển vọng của nguồn điện Liti - một nguồn điện thuộc thế hệ thứ 3, lúc đó mới có sản phẩm chế thử pin Liti và ăcquy ion Li (loại AA) dự kiến làm nguồn nuôi cho điện thoại di động (ĐTDD). Mời năm sau ở vào thời điểm hiện nay, ăcquy ion Li đã hoàn toàn đáp ứng bão hòa thị trờng ĐTDD (có tốc độ tăng trởng ~ 20%/ năm). Sự phát triển của công nghiệp điện tử không dây luôn luôn là một động lực của sự phát triển công nghiệp battery "xách tay". Chính vì vậy, khi mà xu thế đ ợc gọi là "hội tụ kỹ thuật số", nghĩa là một ĐTDD có thể làm cả việc chụp ảnh, quay video, nghe nhạc số, duyệt web bùng nổ thì đã có thể nhìn thấy trớc, cần một loại nguồn điện mạnh hơn, không phải nạp để thay thế ăcquy ion Li. Ngời ta đang chú ý đến pin nhiên liệu "bỏ túi" chạy bằng rợu metanol trực tiếp, đợc gọi là pin DMFC? Nhờ thành tựu phát triển của khoa học vật liệu, đặc biệt là công nghệ nano, nhiều vấn đề lớn nh ăcquy cấp năng lợng cho ôtô lai điện (HEV), ôtô điện (EV); khai thác nguồn năng lợng tái tạo và tích trữ trong hệ thống ăcquy để phục vụ đời sống đã đợc giải quyết ngày càng có hiệu quả kinh tế hơn. 3 Trong chuyên đề này, sẽ giới thiệu các nội dung: những vấn đề chung (mục II); hiện trạng công nghệ và đặc tính kỹ thuật của các battery quan trọng đã thơng mại hóa cũng nh một số hệ có triển vọng thơng mại hóa (mục III), pin nhiên liệu và các nguồn điện nhiệt độ cao (mục IV). Giới thiệu vắn tắt loại nguồn điện mới có tên là siêu tụ điện có triển vọng ứng dụng cho tơng lai gần (mục V). Tổng kết vài nét xu thế và chiến lợc phát triển trong lĩnh vực nguồn điện trên thế giới cũng nh bàn về dự báo và lộ trình thực hiện (mục VI). Thay cho kết luận là một vài ý kiến đánh giá và đóng góp của tác giả về công nghiệp sản xuất nguồn điện ở nớc ta trong bối cảnh hòa nhập kinh tế với thế giới (mục VII). II. Giới thiệu chung 1. Phân loại hệ thống - Khái niệm và định nghĩa [1] Một số khái niệm: Battery là một bộ nguồn điện hóa gồm một hay nhiều tế bào điện hóa ghép với nhau (ghép nối tiếp hay song song). Battery sơ cấp, hay còn gọi là pin là nguồn điện đợc chế tạo chỉ để làm việc 1 lần (phóng đến kiệt rồi bỏ, mặc dầu vẫn còn vật liệu điện cực ~25%). Battery thứ cấp, hay còn gọi là ăcquy là nguồn điện đợc chế tạo để làm việc nhiều lần, sau khi phóng điện có thể nạp lại. Một lần phóng/ nạp là một chu kỳ (CK). Đời sống làm việc của một ăcquy thơng mại hóa từ vài trăm đến hàng nghìn CK. Các khái niệm battery, pin và ăcquy tuy đã đợc việt hóa và dùng quen thuộc, song ngời tiêu dùng thờng nhầm lẫn về bản chất, nên thờng bổ sung khái niệm nạp đợc và không nạp lại đợc. Trong xu thế tiết kiệm nguyên vật liệu và giảm thiểu phế thải ra môi trờng, công nghệ mới rất chú trọng đến khả năng nạp lại đợc của nguồn điện (rechargeable battery), khả năng này có đợc không chỉ phụ thuộc vào bản chất điện hóa của vật liệu điện cực mà còn phụ thuộc công nghệ biến tính vật liệu. Vì vậy bên cạnh pin kiềm quen thuộc Zn/MnO 2 , đã có pin "Kiềm Zn/MnO 2 nạp lại đợc" để trở thành ăcquy, tên trên thị trờng là RAM - Cell (Rechargeable Alkaline Manganese Dioxide), có ~200 CK làm việc. Tơng tự bên cạnh pin Liti Li/MnO 2 có ăcquy Li/ MnO 2 (dạng CDMO) làm việc theo nguyên lý "ghế đu" (Rocking Chair). Pin nhiên liệu (fuel cells) xét về bản chất là một máy phát điện hóa, biến hóa năng thành điện năng hoạt động trên cơ sở phản ứng oxi hóa - khử của nhiên liệu khi dẫn vào điện cực của một reactơ điện hóa. Pin nhiên liệu có thể hoạt động liên tục chừng nào việc cung cấp nhiên liệu từ bình chứa không bị ngắt. Tên gọi pin nhiên liệu 4 có thể dẫn đến sự hiểu lầm về bản chất giống pin đã định nghĩa ở trên, thực ra là hoạt động của một tế bào điện hóa chạy bằng nhiên liệu (fuel cells) biến hóa năng thành điện năng để sử dụng. Siêu tụ điện là bộ tích điện năng kiểu tụ điện, có bản chất cấu tạo trên cơ sở lớp điện tích kép điện hóa nhờ sử dụng hệ điện môi đặc biệt nh hệ hạt cacbon kích thớc nanô phân tán trong điện li. Khả năng tích trữ năng lợng (Wh/kg) thấp hơn battery và pin nhiên liệu nhiều bậc, song ngợc lại về công suất phát dòng lại cao hơn nhiều bậc tơng ứng. Tên gọi siêu tụ điện (supercapacitors, ultracapacitors) hoặc lai tụ điện (Hybrid Capacitors) gắn với đặc điểm là thời gian nạp điện rất ngắn, số chu kì làm việc gần nh vô tận, vì vậy đợc khai thác để chế tạo nguồn điện mới. Hình II.1. Mô hình cấu tạo một tế bào điện hóa Hình II.1 trình bầy cấu tạo nguyên lí chung của một tế bào điện hóa không phân biệt battery (pin & ăcquy) pin nhiên liệu hay siêu tụ điện để giới thiệu một số khái niệm chung. Chẳng hạn cấu thành quan trọng của một tế bào điện hóa (thực chất là một reactơ điện hóa) là hệ thống điện cực, bao gồm điện cực âm (-) và điện cực dơng (+), đặt trong môi trờng điện li dẫn ion. Để ngăn cách giữa 2 khu vực điện cực là tấm lá cách cho phép ion đi qua, trở lực dẫn điện (hay còn gọi là nội trở) gần nh không đáng kể. Khi làm việc dòng điện tử chạy qua mạch ngoài đi từ âm sang dơng và phóng điện trên tải tiêu thụ điện năng. Có gì khác nhau giữa battery, pin nhiên liệu và siêu tụ điện? Sau này đi sâu về bản chất sẽ đợc trình bày kĩ hơn, song trớc mắt cần lu ý những đặc trng sau đây: + ở battery, vật liệu điện cực là chất mang năng lợng, đợc chế tạo từ vật liệu có hoạt tính điện cực (sản xuất gọi là bột hoạt), còn ở pin nhiên liệu hệ điện cực chỉ là nơi xúc tác quá trình điện cực của nhiên liệu. Nhiên liệu mới là chất mang năng lợng. Trong khi đó ở siêu tụ điện, bản cực chỉ là tấm gom điện tích cùng dấu từ cấu trúc điện môi để tạo thành 2 tấm điện cực trái dấu. 5 + Khái niệm anốt gắn liền với quá trình oxi hóa (bị lấy electron) nơi d electron ấy chính là điện cực âm (-). Còn catốt gắn với quá trình khử (nhận electron), nơi thiếu electron này chính là điện cực dơng (+). + Ngoài ra dấu (-) và (+) gắn với giá trị thế điện hóa của điện cực (gọi tắt thế điện cực) trong tơng quan so sánh với điện cực chuẩn hyđro (NHE). 2. Các đại lợng đặc trng cho khả năng tích trữ năng lợng của nguồn điện hóa học [1], [8] Khả năng tích trữ và chuyển hóa năng lợng của một nguồn điện hóa học về nguyên tắc có thể tính toán từ quan hệ nhiệt động cơ bản: G = A max = -n.F.E (II.1) Quan hệ trên cũng chính là định luật Faraday, cho biết công điện A max bằng tích của điện lợng nF (do n mol electron vận chuyển), và sức điện động E hình thành. Mặt khác, biến thiên năng lợng tự do G của nguồn điện hóa làm việc ở điều kiện thuận nghịch tuân theo: G = H - T. S (II.2) H = biến thiên entanpi S = biến thiên entropi Do đó hiệu suất biến đổi năng lợng hóa học sang năng lợng điện có thể biểu diễn bởi : = H S T1 H S.TH H G A H max = = = (II.3) Vì giá trị của T. S thông thờng rất nhỏ so với H, nên hiệu suất chuyển hóa của nguồn điện hóa học trong điều kiện lý tởng có thể đạt 100%. Điều này chứng minh rằng bằng con đờng điện hóa có khả năng biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng với hiệu suất hơn hẳn các quá trình biến đổi trung gian khác (chẳng hạn hiệu suất Carnot). Tuy nhiên trong thực tế, hiệu suất chuyển hóa năng lợng của nguồn điện hóa học thờng thấp hơn tính toán lý thuyết. Những thông số làm việc nh điện thế V, cờng độ dòng I cũng nh biến thiên của chúng theo thời gian V I = f(t) hoặc V = f(I.t) mới cho phép đánh giá khả năng tích trữ và chuyển hóa thực của nguồn điện và so sánh giữa chúng với nhau. Hình II.2 biểu diễn đồ thị "V-t" đặc trng cho khả năng phóng điện của một nguồn điện tại các cờng độ dòng điện I = const khác nhau (I 1 <I 2 <I 3 ). 6 Hình II.2. Đồ thị phóng điện "V - t" Trên trục điện thế V, xuất phát từ điện thế định danh V đd (V đd điện thế hở mạch hay sức điện động của nguồn điện E OC ) và phóng điện tới một giá trị điện thế dừng V d quy định (V d thờng đợc quy định khi phóng 50% dung lợng). Từ đồ thị dễ dàng thấy rằng điện lợng đợc giải phóng: I 1 t 1 > I 2 t 2 > I 3 t 3 Nh vậy cùng một nguồn điện, năng lợng đợc tích trữ có thể đánh giá tùy thuộc điều kiện phóng điện. Ngoài ra ngời ta còn quan tâm đến khối lợng và thể tích chiếm chỗ của nguồn điện, vì vật chất bên trong nguồn điện là chất mang năng lợng và khả năng tích trữ năng lợng trên đơn vị khối lợng (hoặc thể tích) đợc gọi là các đại lợng riêng là những thớc đo quan trọng. Để phát triển nguồn điện mới trên cơ sở vật liệu mới, cải tiến kết cấu hoặc thay đổi công nghệ, cần thiết phải đánh giá trên những thông số quan trọng sau đây: a. Dung lợng C [Ah] và dung lợng riêng [Ah/kg] Dung lợng chỉ điện lợng tích trữ đợc tính bằng tích của cờng độ dòng điện I[A] nhân với thời gian t [h]. Để xác định dung lợng định danh của một nguồn điện, ngời ta phóng điện ở I chuẩn = const theo thời gian cho đến khi điện thế của nguồn điện sụt đến một giá trị V d quy định. Dung lợng riêng là điện lợng tích trữ quy trên đơn vị khối lợng [Ah/kg] hoặc quy trên đơn vị thể tích chiếm chỗ của nguồn điện [Ah/dm 3 hoặc Ah/lít]. Một nguồn điện tốt cần có dụng lợng tích trữ lớn, nhng kết cấu lại phải gọn và nhẹ. Tất nhiên bản chất của vật liệu điện cực đóng vai trò quyết định. Dung lợng riêng của các vật liệu nguồn điện phổ cập nh chì là 260 Ah/kg; kẽm là 820Ah/kg còn Liti là 3860 Ah/kg vì vậy xu thế để phát triển nguồn điện có dung lợng cao sẽ phải trên cơ sở Liti. 7 b. Công suất P [W] và công suất riêng [W/kg] Công suất của nguồn điện đợc tính bằng tích của điện thế V [V] nhân với cờng độ dòng I [A]: P = V x I. Quá trình phóng điện (hình II.3) sẽ làm cho điện thế định danh V đd của nguồn điện giảm dần. Vì vậy để tính công suất P, điện thế V sẽ là giá trị trung bình của V đd và V d . I Hình II.3. Đồ thị V/P = f(I) Công suất riêng là đại lợng tính trên đơn vị khối lợng [W/kg] hoặc trên đơn vị thể tích [W/dm 3 ; W/lít]. c. Mật độ năng lợng E [Wh/kg] hoặc [Wh/dm 3 ] Mật độ năng lợng là đại lợng năng lợng riêng, đợc tính bằng tích của dung lợng riêng [Ah/kg] nhân với điện thế [V]. Thứ nguyên của mật độ năng lợng [Wh/kg] hoặc [Wh/dm 3 hay Wh/lít]. Mật độ năng lợng cũng là một thớc 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 lợng. Chẳng hạn ở ăcquy chì axit, mật độ năng lợng lý thuyết là 165 Wh/kg, trong thực tế phổ biến chỉ đạt 40 Wh/kg. Các nguyên nhân dẫn đến giới hạn về mật độ năng lợng gồm có nguyên nhân do bản chất động học của quá trình điện cực xẩy ra trong nguồn điện lẫn nguyên nhân do kết cấu cha hợp lý của nguồn điện mà sau này ta sẽ đi sâu phân tích. d. Hiệu suất [%] Hiệu suất điện hóa là đại lợng đặc trng cho hiệu quả của quá trình chuyển hóa năng lợng điện hóa: Năng lợng thực tế E l [%] = Năng lợng lý thuyết E lt (II.4) 8 Hiệu suất thực tế của các loại nguồn điện hóa học có thể dao động trong khoảng 30 70. Giới hạn trên đặc trng cho các loại nguồn điện mới. Để tiện cho việc sử dụng ngời ta còn dùng khái niệm hiệu suất Coulomb để chỉ cho hiệu suất phóng/nạp: Dung lợng phóng = I p .t p Hiệu suất Coulomb = Dung lợng nạp = I n .t n (II.5) Nếu chọn điều kiện I p = I n và theo dõi thời gian t p cho đến V p quy định thì hiệu suất Coulomb của nguồn điện hóa học dao động trong khoảng 70 ữ 90%. 3. Đặc điểm của nguồn điện hóa học trên cơ sở của phát triển khoa học vật liệu và đổi mới công nghệ [8]: Nguồn điện hóa học truyền thống (bảng II.1) là nguồn điện đã có lịch sử phát triển gần 100 năm. Năng lợng hóa học đợc tích trữ theo nguyên lý bản cực, sử dụng hệ kim loại/oxit kim loại, môi trờng điện ly là dung dịch nớc của muối, axit hoặc kiềm. Tuy hiện tại vẫn còn phục vụ tốt các yêu cầu của đời sống và công nghiệp thông thờng, song không đáp ứng các yêu cầu của kỹ thuật cao vì các lý do sau đây: - Các thông số về năng lợng riêng [Ah/kg hoặc Wh/kg, Wh/l] còn xa mới đạt giá trị lý thuyết. - Về mặt vật liệu điện cực, sử dụng phổ biến các kim loại khan hiếm và độc hại (Zn, Pb, Ni, Cd ). Hệ số sử dụng vật liệu ngay ở trình độ công nghệ hiện nay còn rất thấp ( 40 - 50%). Sau sử dụng trở thành phế thải công nghiệp gây ô nhiễm môi trờng (do công nghệ tái chế rất tốn kém nên pin Zn/MnO 2 không chủ trơng thu hồi). - Nguyên lý kết cấu cổ điển của nguồn điện vẫn đang hiện hành là nguyên nhân không thể cải thiện các thông số về năng lợng riêng. Bảng II.1. Một vài nguồn điện hóa học truyền thống (sơ cấp và thứ cấp) Mật độ năng lợng E tt (E lt ) Hệ Chất điện ly Điện thế [V] [Wh/l] [Wh/kg] Pin Zn/MnO 2 - Clorua kẽm ZnCl 2 1,5 140 75 (190) - Kiềm KOH 1,5 350 120 (190) Ăcquy axit Pb/PbO 2 H 2 SO 4 2,0 50-80(890) 30-50(165) Ăcquy kiềm Ni/Cd KOH 1,3 60-70(690) 55 (210) Ghi chú: Các giá trị trong ( ) là giá trị lý thuyết 9 Rõ ràng rằng để đạt đợc những đột phá về kỹ thuật, cần thiết phải lựa chọn những vật liệu điện cực có mật độ tích trữ năng lợng cao còn phong phú trong tự nhiên. Đó là những nguyên tố ở góc trên bên trái của bảng tuần hoàn Mendeleep nh H, Li, Na, Mg, Ca, Al và những nguyên tố ở góc trên bên phải nh O, S, F, Cl, Br hoặc những hợp chất giữa chúng với nhau (hình II.4), mà ở trình độ công nghệ trớc đây cha sử dụng đợc vì chúng có tính chất điện hóa, quá hoạt động nh Li, Na, hoặc F 2 , Cl 2 , Br 2 , SO 2 , SOCl 2 , SO 2 Cl 2 . Hình II.4. Vật liệu điện cực của nguồn điện mới ( ) và nguồn điện truyền thống (O) trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep Nhiều vật liệu điện cực đợc tổng hợp theo kiểu "thiết kế" để tối u hóa mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính điện hóa, theo các tiêu chuẩn của vật liệu tiên tiến, chẳng hạn nh hợp chất liệu kim loại AB 5 làm điện cực âm cho ăcquy Ni-MH hoặc hợp chất cài ion trên cơ sở oxit phức hợp Li x NiO 2 , Li x CoO 2 , Li x Mn 2 O 4 sử dụng làm vật liệu catot trong ăcquy ion Li. Trên cơ sở vật liệu mới, nguyên lý tích trữ truyền thống và kết cấu nguồn điện đã thay đổi gần nh hoàn toàn. Có thể nêu vài ví dụ điển hình nh: - Nguyên lý nạp/ phóng của ăcquy Ni-MH không giống nh ăcquy Ni-Cd mà dựa trên cơ sở hấp thụ/ nhả hấp thụ của vật liệu điện cực tích trữ hydro. - Nguyên lý làm việc của ăcquy ion Li dựa trên cơ sở của quá trình tích/ thoát ion Li + vào mạng của vật liệu cài ion (Ion intercalation compounds) theo kiểu dao động ghế đu ("Rocking chair" princip). - Nguyên lý hoạt động của ăcquy nhiệt độ cao (100 - 350 o C) nh Na/S dựa trên cơ sở vật liệu điện cực Na và S ở thể nóng chảy, còn môi trờng điện ly là gốm -Alumina thì ở thể rắn (ngợc lại hoàn toàn với kết cấu của ăcquy điện ly nớc cổ điển). Tất cả những đổi mới về công nghệ chế tạo nhằm cải thiện thông số về năng lợng riêng, tạo ra những nguồn điện có kết cấu chặt nhỏ gọn, mật độ tích trữ năng lợng ngày càng cao hơn, triển vọng tiệm cận giá trị lý thuyết và sử dụng thân thiện với môi trờng. 10 4. Những tiêu chí chất lợng và các yếu tố quyết định [1], [2] P.Ruetschi là ngời đầu tiên (1993) đa ra tiêu chí 3E để khái quát hóa chất lợng của một nguồn điện tiên tiến: Energy, tức là mật độ năng lợng cao trên đơn vị khối lợng [Wh/kg] và trên đơn vị thể tích [Wh/l hoặc Wh/dm 3 ], mức phấn đấu phải đạt giá trị lý thuyết theo các tính toán nhiệt động về chuyển hóa năng lợng. Economics, tức là tính kinh tế trên cơ sở giá thành chế tạo thấp từ nguyên liệu sẵn có, có đời sống sử dụng dài và không phải bảo dỡng hoặc chi phí bảo dỡng thấp. Environment, tức là tính thân thiện môi trờng loại bỏ các nguyên vật liệu độc hại; tiêu thụ năng lợng thấp trong công nghệ chế tạo sản xuất không phế thải, dễ tái chế sau sử dụng, đảm bảo sản xuất bền vững. Có thể nói tiêu chí 3E là những tiền đề của tiêu chuẩn ISO 14000 áp dụng cho công nghiệp nguồn điện hóa học. P.Ruetschi và F.Beck đã nêu ra những định hớng của công nghiệp nguồn điện hóa trong những thập kỷ tới nh sau: a. Phải chuyển hớng công nghệ sang sử dụng các nguyên vật liệu còn phong phú trong thiên nhiên (nh Li, Na, S, halogen ) nhng có mật độ năng lợng cao hơn hẳn các vật liệu truyền thống hoặc sử dụng các vật liệu tiên tiến đợc tổng hợp theo kiểu "may đo" đạt tính chất chọn trớc do cấu trúc chế tạo quyết định. Loại bỏ hoàn toàn vật liệu và phụ gia độc hại. Dây chuyền sản xuất phải tự động hóa cao, không phế thải. b. Vật liệu điện cực âm phải có quá thế hydro cao, cũng nh vật liệu điện cực dơng phải có quá thế oxi cao, để hạn chế thoát khí và đạt độ tự phóng thấp. c. Dung dịch điện ly (nớc; không nớc và rắn) phải có độ dẫn cao, làm việc ở vùng nhiệt độ rộng, đảm bảo tốc độ phóng/nạp cao. d. Thay đổi kết cấu nguồn điện bằng những vật liệu mới để giảm trọng lợng và thể tích chiếm chỗ, giảm linh kiện, có độ bền cao; hoàn toàn đóng kín và khống chế quá nạp; cải tiến công nghệ nạp và thiết bị nạp. e. Chỉ số mật độ năng lợng phấn đấu cho giai đoạn trung hạn sau 2010 là 120 ữ 140 Wh/kg; còn chu kỳ làm việc 1000 ữ 1200 CK. 11 [...]... 91%): - Pin kiềm Zn/MnO2 - Pin muối ZnCl2 - Pin Li các loại 10.000 6.500 2.400 19.900 Battery thứ cấp (sản lợng 5 tỷ đơn vị, chiếm 9%): - Ăcquy chì axit (SLI) - Ăcquy kín khí các loại Li-ion Ni - MH Ni - Cd - Khác, chuyên dụng (Ag, Zn; Ni - Fe; nhiệt độ cao ) 18.400 3.500 1.800 1.500 3.100 28.300 Tổng cộng: 19.900 + 28.300 = 48.200 17 Nói chung, tăng trởng của công nghiệp nguồn điện của một nớc phát triển. .. phục vụ công nghệ thông tin, bu chính viễn thông, điện tử không dây luôn luôn cỡ hai chữ số Đây là một thị trờng sôi động, luôn luôn thúc đẩy đổi mới công nghệ Thị trờng ăcquy khởi động, thắp sáng, cố định (SLI) vẫn lấy ăcquy chì axit làm chủ đạo, trong khi đó định hớng cho ôtô chạy điện (sau 2010) chủ yếu là các loại nguồn điện mới nh Ni - MH, Li - ion cũng nh pin nhiên liệu Ăcquy kiềm Ni - MH sẽ... NiOOH 1,2 50 - 80 (390) 2000 Zn - Kiềm Zn - MnO2 KOH Zn bột -MnO2 1,5 120 (190) - Zn - MnO2 Zn - NiOx KOH KOH Zn bột Zn bột MnO2-BiOx NiOOH 1,5 1,5 75 (428) 65 (326) 100 - Zn - K.khí KOH Zn bột (O2) 1,2 220 (1350) 200 - 600 Nạp đ/hóa cơ học Zn - Br2 NR4Br Zn Br2-NR4Br 1,83 60 (440) 500 tp = 5h Zn - Cl2 ZnCl2 Zn Cl2.6H2O - 60 (465) 300 Zn Halogen Pb (RPP) 14 LaNi5 Nhóm AB5 -MnO2 EMD Nạp lại đợc Nhóm... điện Liti - Vấn đề an toàn của vật liệu anot Liti và lựa chọn các vật liệu catot thích hợp để ghép với Liti - Công nghệ chế tạo nguồn điện Liti đòi hỏi phải xuất phát từ nguyên lý tích trữ và kết cấu chế tạo hoàn toàn mới Sự phát triển của nguồn điện Liti sau đó vào những năm 70 và 80 diễn ra với tốc độ mạnh mẽ trên cơ sở vật liệu mới và công nghệ mới Những sản phẩm thơng mại hoá đầu tiên đã đợc thị trờng... NiMH đã có lắp đặt bên trong tiện nghi bảo vệ quá nạp và quá phóng - Các nguồn điện mới nh Li-ion (Li/LixCoO2) có lắp đặt mạch điện tử bảo vệ quá nạp quá phóng và chống nổ g Giá thành: Giá thành do công nghệ chế tạo và thị trờng tiêu thụ quy t định Công nghiệp sản xuất nguồn điện ngày càng đòi hỏi áp dụng các dây chuyền công nghệ tự động hóa cao và quy trình sản xuất không phế thải vì luật môi trờng... cơ bản giữa hệ pin kẽm đã thông dụng và pin Liti mới phát triển Hệ pin Điện thế làm việc [V] Mật độ năng lợng [Wh/kg] [Wh/l] Tốc độ phóng điện Pin kẽm Zn/MnO2 - Leclanché 1,3 ữ 0,9 65 100 thấp - Chlorua kẽm 1,3 ữ 0,9 75 140 trung bình - Kiềm 1,4 ữ 0,9 120 350 trung bình Pin Zn/O2 1,3 ữ 0,9 300 900 thấp Pin Liti Li/MnO2 2,8 ữ 2,0 240 550 trung bình Pin Li/SO2 2,8 ữ 2,0 300 500 cao Pin Li/SOCl2 3,5... đơn giản và rẻ tiền hơn công nghệ tái sinh ăcquy axit chì hiện đã hoàn thiện đến mức 98% ăcquy axit chì tại Mỹ đã tái sinh để sử dụng lại Theo Hội đồng quốc tế về battery, vẫn đánh giá ăcquy chì là một hệ battery "xanh" nhất trong các hệ thống nguồn điện hóa học đã có mặt trong gần 100 năm qua 3.2 Ăcquy Ni-MH 3.2.1 Đại cơng Ăcquy kiềm là một nguồn điện quan trọng sau ăcquy axit vì những đặc tính u... của nguồn điện f Kết cấu và độ an toàn: Kết cấu sẽ cải thiện đáng kể thông số mật độ năng lợng nhờ thành tựu của công nghệ và vật liệu mới sẽ mở ra những đột phá quan trọng trong việc thay đổi cả nguyên lý tích trữ năng lợng lẫn kết cấu của nguồn điện (chẳng hạn ở trờng hợp ăcquy Na/S, ăcquy Li-ion, pin nhiên liệu ) Nhiều nguồn điện thơng mại hóa quen thuộc nh ăcquy axit chì, Ni-Cd; NiMH đã có lắp đặt... đậm) và tiền thơng mại (in thờng) Nhóm Kiểu Điện ly Pb Pb - axit 4-6 M H2SO4 Kiềm Dung dịch Pb Ni - Cd - 8M Pb(BF4)2 - 3M PbSiF6 4,5 - 7M KOH Ni - MH Vật liệu điện cực Âm Dơng Pb PbO2 Điện thế [V] Mật độ Et (Elt) Wh/kg Số CK (tp = 2,5h) 2,0 30 - 50 (165) 600 - 1500 2,0 30 - 40 (130) 1,2 50 (210) 1500 Ghi chú Cực phẳng cuộn RPP = Sờn Composite Cd PbO2 (RPP) NiOOH 4,5 - 7M KOH LaNi5(H6) NiOOH 1,2 50 - 80... chế) b) Điện cực MnO2 Hành vi phóng điện của - MnO2 trong dung dịch KOH đậm đặc diễn ra theo cơ chế trao đổi electron hai bớc: MnO2 + H2O + 2e- MnOOH + OH- (III.6a) MnOOH + H2O + 2e- Mn(OH)2 + OH- (III.6b) ở giai đoạn đầu của quá trình phóng điện, các ion Mn4+ đợc khử thành và Mn3+ và proton đợc cài vào vị trí O 2- của mạng tinh thể - MnO2 Nồng độ và Mn3+ và OHtăng dần cùng với quá trình phóng điện . ĐỀ TÀI Pin và ăc quy - Phát triển công nghệ và thị trường I. mở đầu Nguồn điện hóa học là một hệ thống tích trữ năng lợng hóa học và khi sử. (chẳng hạn ở trờng hợp ăcquy Na/S, ăcquy Li-ion, pin nhiên liệu ). Nhiều nguồn điện thơng mại hóa quen thuộc nh ăcquy axit chì, Ni-Cd; Ni- MH đã có lắp đặt