Tìm hiểu tổng quan về pin lithium ion

Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Lời cảm ơn Bản khóa luận hồn thành sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý, thầy cô giáo khoa Vật lý tạo điều kiện cho em hồn thành khóa luận Và đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th s Lê Đình Trọng trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trình nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp Hà Nội, tháng năm 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Mục lục Nội dung Trang Mở đầu Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: pin dẫn ion Lithium 2.1: cấu tạo 2.2: vật liệu chế tạo pin Li-ion 2.3: trình xảy pin Li-ion Chương 3: đặc trưng hoạt động pin Li-ion Chương 4: pin Li-ion polymer pin Li-ion trạng thái rắn 4.1: pin Li-ion polymer 4.2: pin Li-ion rắn Kết luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống tái tạo nguồn lượng vấn đề quan tâm đặc biệt cho sống tuơng lai người Các yêu cầu đặt cần phải tạo nguồn lượng sạch, không gây tác hại với mơi trường Có nhiều biện pháp đưa để đáp ứng yêu cầu sử dụng nguồn lượng mặt trời, lượng gió…và biện pháp tích trữ lượng dạng điện năng, tích trữ điện nhờ loại pin ăcquy Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đại, đặc biệt công nghệ điện tử dẫn đến đời hàng loạt loại thiết bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại di động …) Để đảm bảo thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn nhẹ, an toàn Việc đời loại pin đáp ứng phần yêu cầu Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) loại thích hợp Nửa đầu năm 90 kỉ trước, thị trường bắt đầu xuất pin NiMH ( Nikel Metal Hydride ) NiCd gây ô nhiễm môi trường Và từ năm 2000 pin NiMH thay dần pin Lithium ion ( Li-ion ) Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6%  8% Mặc dù thương mại hóa rộng rãi thị trường cơng trình khoa học nghiên cứu pin Li-ion tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng pin giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp tơi vào: “tìm hiểu tổng quan pin Lithium ion “ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Hiểu rõ trình điện hóa phản ứng xảy điện cực - Đưa nhìn tổng quan pin Li-ion Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Khóa luận nghiên cứu tổng quan Pin Li-ion bao gồm: - Cấu tạo pin - Quá trình điện hóa phản ứng xảy điện cực Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Có hiểu biết loại pin triển vọng phát triển cửa tương lai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học NỘI DUNG Chương 1- TỔNG QUAN Pin Lithium ion loại pin thứ cấp Các pin Li-ion bao gồm pin sử dụng hợp chất Lithium vật liệu làm điện cực âm dương Trong chu trình, ion Li+ trao đổi điện cực âm dương Vật liệu làm điện cực dương oxit kim loại điển hình với cấu trúc dạng lớp, Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, Lithium Manganese Oxide ( LiMn2O4), phủ cực góp điện nhôm Vật liệu làm điện cực âm Glaphite Cacbon, vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ cực góp điện Trong trình nạp/phóng điện, ion Li+ điền vào tách từ khe hở lớp nguyên tử phía vật liệu hoạt động Những loại pin đầu thương phẩm hóa đa số thuộc dòng khả dụng, dùng LiCoO2, vật liệu làm điện cực dương LiCoO2 cho tính điện tốt, dễ chế tạo, tính an tồn cao tương đối khơng nhạy cảm với trình biến đổi độ ẩm Gần nhữnh vật liệu có giá thành thấp hơn, hiệu suất cao hơn, LiMn2O4 LiNi1-xCoxO2 đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo pin, pin với tính cải tiến Than cốc sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩm Khi cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp dùng glaphite làm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động tốc độ nạp cải tiến Pin Li-ion thương mại hố phát triển cơng ty Cổ phần R & D từ đầu năm 90, tới năm 1999 có 400 triệu pin thương phẩm Lợi nhuận thu khoảng 1,86 tỷ USD năm 2000 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Tới 2005 có 1,1 tỷ pin đưa thị trường với giá trị tỉ USD, giá thành giảm xuống 46% từ 1999 đến 2005 Trong tương lai, sản phẩm với giá hiệu dụng, tính cao, cơng nghệ an toàn ngày thị trường quan tâm (Hình 35.1 trang 35.2) Hình 1: Nhu cầu sử dụng giá trung bình pin Lihium ion Cơng nghệ nhanh chóng trở thành nguồn lượng chuẩn thị trường mảng rộng, tính pin Li-ion tiếp tục cải tiến làm cho pin ứng dụng ngày rộng rãi phạm vi ứng dụng khác Nhằm đáp ứng yêu cầu thị trường, thiết kế ngày cải tiến phát triển, bao gồm pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện pin Li-ion ứng dụng rộng rãi đồ điện tử pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử qn đội, radio, máy dị mìn dự đốn pin Li-ion cịn ứng dụng khinh khí cầu, tàu khơng gian, vệ tinh Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2%  8% tháng) có dải nhiệt độ hoạt động rộng (nạp điện nhiệt độ từ -200C  600C, phóng điện nhiệt độ từ -400C  650C) cho phép chúng ứng dụng cách đa dạng rộng rãi Điện pin Li-ion đạt khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp lần so với pin NiCd hay pin NiMH, cần đơn vị cấu tạo cho pin Pin Li-ion cho khả tốc độ cao Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, tốc độ xung 25C Bên cạnh ưu điểm pin Li-ion có nhược điểm định Những ưu, nhược đểm pin Li-ion tóm tắt bảng đây: Bảng 1: Ưu - Nhược điểm Pin Li-ion LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Ưu điểm Nhược điểm -Kín, khơng cần bảo trì -Giá trung bình ban đầu -Chu kỳ sống dài -Giảm khả nhiệt độ cao -Dải nhiệt độ hoạt động rộng -Cần phải bảo vệ hệ thống mạch -Thời gian hoạt động dài điện -Tốc độ tự phóng chậm -Dung lượng bị giảm nóng lên -Khả nạp nhanh bị tải -Khả phóng điện có tốc độ -Bị thủng bị toả nhiệt công suất cao bị ép -Hiệu lượng, điện lượng -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ lượng thấp NiCd cao -Năng lượng riêng mật độ NiMH lượng cao -Không có hiệu ứng nhớ Hiện cơng trình nghiên cứu Pin Li-ion tiếp tục tiến hành sở kết thu chế tạo điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng sản xuất công nghiệp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Chương - PIN DẪN ION LITIUM 2.1 Cấu tạo Cấu tạo pin Li-ion bao gồm điện cực dương điện cực âm ngăn cách màng ngăn xốp polyethylene polypropylene dày từ 16m đến 25m Điện cực dương gồm vật liệu hoạt động phủ lên đồng dày từ 10m đến 25m, với độ dày đặc trưng tổng cộng khoảng 180m Điện cực âm bao gồm vật liệu carbonaceous hoạt động phủ lên đồng dày từ 10m đến 20m, với độ dày tổng cộng khoảng 200m Màng ngăn xốp lớp phủ địi hỏi mỏng hệ số dẫn chất điện phân khô thấp, khoảng 10ms/cm, khuếch tán ion Li+ vật liệu điện cực dương âm chậm, khoảng 10-10m2s-1 Vỏ dùng terminal âm điển hình thép tráng Nikel; sử dụng terminal dương, vỏ điển hình nhơm Hầu hết pin thương phẩm hoá sử dụng phần đầu để hợp phần rời rạc, hoạt hoá áp suất nhiệt độ, thiết bị PTC, có lỗ thơng an tồn (Hình 35.32 - trang 35.33) Hình 2: Cấu tạo chi tiết phần đầu pin với ngắt cấu lỗ an toàn cho nâng cao bất thường áp lực bên 2.1.1 Pin Li-ion dạng trụ Mặt cắt ngang pin Li-ion dạng trụ mơ tả hình sau: (Hình 35.30- trang 35.32) Hình 3: Mặt cắt ngang pin Li-ion trụ Để ứng dụng lĩnh vực đặc biệt hố, chun mơn hố, vệ tinh, pin ống lớn phát triển Những pin "25Ah" LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học phát triển Blue Star Advanced Technology, miêu tả hình sau: (Hình 35.34 - trang 35.33) Hình 4: Những pin Li-ion trụ "25Ah" Những sản phẩm dùng LiCoO2 làm cực dương graphite làm cực âm Khối lượng phận cấu thành pin (29Ah) mô tả bảng sau: Bảng 2: Bảng phân tích khối lượng Pin 29Ah.trụ Tỉ lệ tổng Bộ phận cấu thành Khối lượng (g) Vỏ 108,5 12,2 Nắp 15,5 1,8 Chất điện li 217,9 24,5 Điện cực dương 339,2 38,1 Điện cực âm 165,0 18,5 Tạp chất 43,4 4,9 Tổng thể 889,5 100 khối lượng pin (%) 2.1.2 Pin Li-ion lăng trụ phẳng Cấu tạo mặt cắt pin lăng trụ phẳng tương tự phiên trụ, khác trục tâm phẳng sử dụng thay cho trục tâm trụ (Hình 35.31- trang 35.32) Hình 5: Mặt cắt pin Li-ion lăng trụ Vỏ pin sử dụng thép tráng Nikel thép khơng gỉ 304L Vỏ phủ kín hai cách điển hình: TIG hàn máy laser Hình 35.35 - trang 35.34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Hình 6: Phần đầu điện cực pin Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ điện cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà) 2.2 Các vật liệu chế tạo pin Li-ion 2.2.1 Các vật liệu điện cực dương Các vật liệu dùng làm điện cực dương oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 M kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni, Mn hay hợp chất thay phần cho kim loại M Pin Liion hãng Sony sản xuất đưa thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, Goodenough Mizushina nghiên cứu chế tạo Hợp chất sử dụng tiếp sau LiMn2O4 (Spinel) vật liệu có dung lượng cao LiNi1-xCoxO2 Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn yêu cầu sau: - Năng lượng tự cao phản ứng với Lithium - Có thể kết hợp lượng lớn Lithium - Không thay đổi cấu trúc tích phóng ion Li+ - Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn - Dẫn điện tốt - Không tan dung dịch điện li - Giá thành rẻ 2.2.1.1 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương Tính đa dạng vật liệu làm điện cực dương ngày phát triển nhiều loại chúng khả dụng với thị trường Đặc trưng điện áp dung lượng vật liệu làm điện cực dương nói chung thống kê bảng sau: Bảng 3: Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học khơng bị thay đổi có ion Liti điền kẽ vào Bản chất trình tách điền kẽ q trình phóng q trình nạp Đặc trưng q trình phóng nạp chu kỳ than cốc graphite carbon biểu diễn sau: (Hình 35.20 - trang 35.19) Hình 11: Điện áp, dung lượng q trình phóng nạp chu kỳ cốc (a) vật liệu graphite nhân tạo (b) So sánh q trình phóng - nạp graphite carbon than cốc thấy rằng: Hiệu suất q trình phóng nạp graphite cao có dung lượng cao so với than cốc Với ưu giá thành rẻ có nhiều tự nhiên, đó, grapite carbon sử dụng rộng rãi Trong thời gian gần đây, loại carbon cứng nghiên cứu đưa sử dụng có dung lượng lớn tính ổn định cao so với loại carbon nghiên cứu 2.2.2.3 Các tính chất loại carbon Tính chất đặc tính vật lí loại carbon khác thống kê bảng sau: Bảng 4: Đặc trưng loại carbon Dung Carbon lượng Loại riêng mAh/g) KS6 Graphite hợp KS15 Graphite tổng 316 tổng 350 Dung lượng khơng ngược (mAh/g) đảo Kích thước phần tử (D50m) Diện tích bề mặt (m2/g) 60 22 190 15 14 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học hợp KS44 Graphite tổng hợp MCMB25- Graphite cầu 28 MCMB10- Graphite cầu 28 Sterling Graphitized 2700 Carbon đen XP 30 Peteoleum coke Repsol Than cốc dạng LQNC kim Grasker Sợi carbon Sugar Carbon cứng carbon 345 45 44 10 305 19 26 0,86 290 30 10 2,64 200 152 0,075 30 220 55 45 N/A 234 104 45 6,7 363 35 23 11 575 215 N/A 40 2.2.3 Các chất điện li Có bốn loại chất điện li sử dụng pin Li-ion: chất điện li dạng lỏng, chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) chất điện li dạng gốm Chất điện li dạng lỏng: muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) hoà tan dung mơi hữu có gốc carbonate (EC, EMC) Chất điện li dạng gel: loại vật liệu dẫn ion tạo cách hoà tan muối dung môi polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel.Chất điện li dạng polime: dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion hình thành thơng qua hoà tan muối Lithium vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Chất điện li dạng gốm: vật liệu vô trạng thái rắn có khả dẫn ion Li+ Mỗi loại chất điện li có ưu điểm khác Nhưng nói chung, chất điện li phải có khả dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, chịu ảnh hưởng môi trường độ ẩm, không khí … Hầu hết chất điện li pin Li-ion dùng muối LiPF6 muối có độ dẫn ion cao (lớn 10-3S/cm), hệ số dẫn ion Li+ chất điện li cao (khoảng 0,35) bền trình điện hố, bị nhiễm Bên cạnh đó,có nhiều muối khác quan tâm, bật LiBF4, ngồi có muối khác LiClO4, LiCF3SO3 dùng bền có nồng độ ion Li+ thấp so với LiPF6 Để tăng khả dẫn ion Li+ chất điện li pin Li-ion sử dụng hỗn hợp gồm dung môi hữu pha trộn theo tỉ lệ thích hợp dung mơi thường dùng là: ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) diethyl carbonate (DEC), methyl Acetate (MA) Các nghiên cứu công bố cho thấy LiPF6 với nồng độ 1M hồ tan dung mơi EC: MA theo tỉ lệ 1:1 tạo thành dung dịch có độ dẫn cao (lớn 10-3S/cm) 2.2.3.1 Các muối thường dùng chất điện phân cho pin Li –ion Bảng 5: Muối dùng chất điện li cho pin Li-ion Khối Tên lượng Cơng thức phân hố học tử Các chất tạp Nhận xét (g/mol)  Lithium Li PF6 151,9 H2O Thường 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học hexafluorophosphate (15ppm) sử dụng HF (100ppm)  Lithium tetrafluoroborate Li BF4 93,74 H2O Hút ẩm (15ppm) LiPF6 HF (75ppm)  Lithium perchlorate Li ClO4 106,39 H2O Kém bền (15ppm) muối HF khác khô (75ppm)  Lithium hexafluoroarsennate Li AsF6 195,85 H2O Độc tính cao (75ppm) (chứa Arsen) HF (15ppm)  Lithium triflate Bị ăn mòn Li SO3CF3 156,01 H2O cao (100ppm) 2,8V Bền với nước  không bị ăn Lithium mòn bisperfluoroenthanesulfonimide (BETI) LiN(SO2C2F5)2 387 N/A 4,4V Bền với nước 2.2.3.2 Dung môi 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Dung môi sử dụng đa dạng, bao gồm hợp chất carbonate, ete hợp chất acetate, chúng dùng thay cho chất điện phân khô Tiêu điểm ngành công nghiệp hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an tồn tốt có tính tương thích với vật liệu làm điện cực Các dung mơi carbonate ngun chất điển hình có độ dẫn thực chất 10-7S/cm, số điện môi lớn 3, dung hợp muối Lithium cao.Một số dung môi hữu dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene carbonate(PC), dimethyl carbonate(DMC), ethyl methyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC), dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF),  - Butyrolactone(  BL) 2.2.4 Vật liệu cách điện Trong pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng màng xốp mỏng (10m  30m) để ngăn cách điện cực âm điện cực dương Ngày nay, loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin loại vật liệu có tính chất học tốt, độ ổn định hoá học tốt giá chấp nhận Các vật liệu Nonwoven nghiên cứu, song sử dụng rộng rãi khó tạo màng có độ dày đồng đều, độ bền cao Nhìn chung, vật liệu cách điện dùng pin Lithium ion phải đảm bảo số yêu cầu sau: - Có độ bền học cao - Không bị thay đổi kích thước - Khơng bị đánh thủng vật liệu làm điện cực - Kích thước lỗ xốp nhỏ m - Dễ bị thấm ướt chất điện phân - Phù hợp ổn định tiếp xúc với chất điện phân điện cực (Hình 35.28- trang 35.29) 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Hình 12: Ảnh hiển vi điện tử quét vật liệu cách điện Celgad 3501 2.3 Các trình xảy pin Li-ion 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động pin Li-ion Nguyên tắc hoạt động pin Li-ion dựa vào tách ion Li+ từ vật liệu điện cực dương điền kẽ vào "khoảng trống" vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường quét lên góp đồng (với vật liệu điện cực âm) nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành điện cực cho pin Li-ion, cực đặt cách điện để đảm bảo an toàn tránh bị tiếp xúc dẫn đến tượng đoản mạch Trong trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trị chất oxi hố cịn vật liệu điện cực âm đóng vai trị chất khử, cực dương, ion Li+ tách điền kẽ vào lớp graphite carbon Trong trình phóng q trình xảy ngược lại, ion Li+ tách từ cực âm điền kẽ vào khoảng trống lớp oxi vật liệu điện cực dương Các q trình phóng nạp pin Li-ion không làm thay đổi cấu trúc vật liệu dùng làm điện cực 2.3.2 Các phản ứng xảy pin Li-ion 2.3.2.1 Các phản ứng điện cực Các phản ứng điện hoá bao gồm dịch chuyển bề mặt danh giới điện cực - dung dịch, chúng thuộc loại phản ứng coi q trình khơng đồng Động lực phản ứng không đồng thường quy định tách điền kẽ ion thơng qua q trình phóng q trình nạp Tại cực dương: LiMO2 nap    phong Li1-x MO2 +xLi + +xe- Tại cực âm: 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học + C+xLi +xe - nap  phong   Li x C Phương trình tổng quát: LiMO2 +C nap  phong   Li x C+Li1-x MO2 Mơ hình q trình điện hố pin Li-ion phác hoạ sau: (Hình 35.3 - trang 35.5) Hình 13: Phác hoạ q trình điện hố Pin Li-ion 2.3.2.2 Các phản ứng xảy dung dịch điện li EC:2  CH2O 2 CO+2Li + +2e-   CH2OCO2Li 2 +CH2 =CH2 PC: 2CH3CHOCO2CH + 2Li + + 2e-  LiOCO2CH  CH3  CH2OCO2 Li + CH3CH=CH2 DMC:CH3CH2OCO2CH2CH3+2Li+ +2e- ®CH3CH2OCO- +CH3CH2OLi DMC:CH3CH2OCO2CH2CH3+2Li+ +2e- ®CH3CH2OCO2Li- +CH3CH-2 2EMC  DMC + DEC EMC / DEC / EMC + EC  ROCO2CH2O2COR (R = -CH3; -CH2CH3) Các phân li muối: LiBF6 +ne- +nLi+  LiF+Li x BFy LiPF6 +ne- +Li+  LiF+Li x PFy PF5 +2xLi + +2xe-  LiPF5-x +xLiF 2.3.2.3 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Sự xen vào ion Li+ xảy khoảng 0,2  0,0V, điện tích tiêu thụ khoảng 0,8  0,2V (phụ thuộc Li/Li+) khử thành phần điện phân bề mặt điện cực Phản ứng gọi lớp chuyển tiếp rắn - điện phân (lớp chuyển tiếp không gian) phản ứng xảy từ chất điện phân có trạng thái nhiệt động ổn định Q trình diễn liên tục bề mặt điện cực bao bọc hoàn tồn độ dày lớp chuyển tiếp xuất đủ để tạo hiệu ứng xuyên hầm điện tử Các điều kiện mà từ pin tạo thành định tính chất độ dày lớp chuyển tiếp, độ dày lớp chuyển tiếp thay đổi (15  900A0) điện cực Sự tạo thành lớp chuyển tiếp ổn định điều kiện định tới tạo thành Pin Mặt khác, khử chất điện phân tiếp tục xảy ra, lớp chuyển tiếp quan trọng để có cấu trúc ổn định cực âm graphite Nếu khơng có lớp chuyển tiếp, nguy hiểm phân tử dung môi tham gia vào trình điền kẽ dẫn tới phá huỷ cấu trúc graphite Tính chất lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến số yếu tố quan trọng pin q trình sử dụng: độ an tồn, tượng tự phóng, dung lượng Pin việc sử dụng pin nhiệt độ thấp nhiệt độ cao Cả vật liệu âm cực dung dịch điện phân đóng vai trị định tới q trình tạo thành lớp chuyển tiếp tính chất hố học chúng Các phản ứng với thành phần khác bề mặt điện cực vô quan trọng việc tìm hiểu rõ tạo thành lớp chuyển tiếp khống chế tính chất nó, đồng thời nâng cao phẩm chất pin 22 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Chương 3: HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LI -ION Những đặc trưng hoạt động pin Li-ion phác thảo bảng sau: Bảng 7: Những đặc trưng hoạt động pin Li-ion Đặc trưng Phạm vi hoạt động Điện áp làm việc 4,2V  2,5V Mật độ lượng 100  158 Wh/kg Năng lượng riêng 245  430 Wh/L Điển hình: 1C Khả tốc độ liên tục Tốc độ cao: 5C Khả tốc độ xung Trên 25C Chu kỳ đời sống 100% DOD Tiêu biểu 3000 Chu kỳ đời sống DOD từ 20 40% Ngoà 1000 Đời sống Trên năm Tốc độ tự phóng điện 210%/tháng Nhiệt độ hoạt động -400C  650C Hiệu ứng nhớ Không Mật độ lượng 2000  8000 W/L Năng lượng riêng 700  1300 W/Kg Pin Li-ion có điện áp cao, dải điện vận hành điển hình từ 2,5V  4,2V, gần gấp lần so với NiCd NiMH Pin Li-ion cho lượng riêng mật độ lượng cao, lượng riêng 150Wh/Kg mật độ lượng 400Wh/L khả dụng Pin Li-ion cho khả tốc độ cao, tốc độ liên tục 5C tốc độ xung 25C, có 23 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học mật độ lượng cao tốc độ tự phóng nhỏ, đời sống khoảng vài năm, khơng có hiệu ứng nhớ dải nhiệt hoạt động rộng Pin Li-ion nạp điện nhiệt độ từ -200C đến 600C phóng điện nhiệt độ từ -400C đến 650C Công nghệ đem lại khả mà có cho mức hiệu suất cao nhiều khía cạnh, bao gồm mật độ lượng, lượng riêng, khả tốc độ, chu kỳ đời sống, thời gian dự trữ, tính an tồn, giá thành thấp Trong mà giá thành giảm vấn đề khả dụng khác lại tăng lên, hiệu suất cải tiến Pin Li-ion phát triển nhanh chóng thương phẩm hố rộng rãi; dự đốn tương lai, phạm vi ứng dụng pin Li-ion ngày rộng rãi 24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Chương 4- PIN LI-ION POLYMER VÀ PIN LI-ION TRẠNG THÁI RẮN 4.1.Pin Li – ion polymer Pin Li - ion polymer có đặc tính vận hành pin Li-ion, bao gồm lượng đặc trưng mật độ lượng cao, mỏng, tỉ lệ kích thước cao Cơng nghệ ứng dụng thiết bị truyền thông di động đặc biệt thiết bị đòi hỏi mỏng, pin nạp lại có vùng phủ sóng rộng Trong pin Li-ion Polymer sử dụng tương tự pin Li-ion dạng trụ lăng trụ; pin Li-ion polymer, nối điện cực cho phép tạo thành pin nén mỏng phía màng chắn, điều trái ngược với cơng nghệ pin Li-ion khác có vỏ thép nhôm Cấu trúc mô tả sau: (Hình 35.87 - Trang 35.72) Hình 14: Sơ đồ phác hoạ mô tả cấu trúc polymer.pin Li-ion Những điện cực pin Li-ion polymer đúc từ hỗn hợp nhớt (huyền phù) bao gồm vật liệu hoạt động (ví dụ: LiMn2O4, LiCoO2, LiAl0,05CO0,15Ni0,8O2 cho điện cực dương; graphite nhân tạo nghiền sợi graphite cho điện cực âm), chất phụ gia dẫn điện (ví dụ super P carbon); chất tăng bền trùng hợp hoà tan (như PVDF - HFP ) vật liệu dễ tạo hình, dibutyl phthalate propylene carbonate chất xử lý, bao gồm chất hoạt động bề mặt, chất chống oxi hoá dung môi khả biến acetone methyl ethyl ketone (MEK) Màng ngăn cách plastic tạo thành từ huyền phù làm đồng PVDF - HFP, phèn, chất tạo hình dung môi khả biến tương tự 25 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Pin Li-ion polymer mỏng, độ dày pin từ 1,2mm tới 8,4mm khả dụng, 3,5mm tới 4,0mm độ dày điển hình pin; dải dung lượng khả dụng từ 0,5Ah tới 8Ah Những pin có lượng riêng mật độ lượng so sánh với pin Li-ion dạng trụ, lăng trụ, pin C/LiCoO2 có mật độ lượng 145  190Wh/kg, lượng riêng từ 270  400Wh/L, với pin C/LiMn2O4 130  144Wh/kg 235  300Wh/h Trong trình nạp điện, pin Li-ion polymer nạp liên tục điện pin đạt điện áp tối đa 4,2V Trong q trình phóng điện, tốc độ thấp (1C) pin Li-ion có điện trung bình 3,8V; tốc độ 2C, 3,55V; tốc độ 3C, 2,45V Pin Li-ion polymer có nhiều thuộc tính mà thị trường thèm muốn bao gồm dung lượng tốt, tự phóng thấp, tính ổn định tích trữ dài an tồn Những sản phẩm ứng dụng rộng rãi khối liệu cao sử dụng ngày tăng pin điện thoại PDAs 4.2 Pin Li-ion rắn Một loại pin Li-ion đặc biệt phát triển thay cho chất bán dẫn mạch in (PCB) thiết bị màng mỏng, rắn Đó pin sử dụng âm gốm, chất điện li vật liệu điện cực dương rắn, trì nhiệt độ cao (2500C) xây dựng kỹ thuật sản xuất khối liệu cao silic điều thực được, cho vi điện tử Những pin thuộc loại nhỏ, 0,04cm x 0,04cm x 2,0m Để ứng dụng vi điện tử, tất linh kiện phải tồn điều kiện 2500C khơng khí nitơ khoảng 10 phút Những pin với chất điện li lỏng polymer khơng thể trì điều kiện tính dễ thay đổi tính bền với nhiệt thành phần hữu 26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học Pin Li-ion rắn hình thành đế, điển hình thạch anh, thuỷ tinh soda-lime silic Cực góp dương cực hành vàng bạch kim (0,1m đến 0,3m), lớp cobalt (0,01m tới 0,05m, bám chặt) Các pin dùng LiCoO2 LiMn2O4 làm vật liệu điện cực dương Lớp phủ điện cực dương có độ dày điển hình 0,05 tới 5m diện tích 0,04 cm2 tới 25cm2, tuỳ thuộc vào yêu cầu dung lượng ứng dụng Chất điện li LiPON có độ dày điển hình từ 0,7m đến 2m Trong pin vật liệu điện cực âm SiSn0,87O1,20N1,72 (SiTON), SnNx, InNx Zn3N2 sử dụng Độ dày điện cực âm 7% điện cực dương Cực góp âm cực gồm cổ góp titan titan nitride (0,1m đến 0,3m) điển hình Việc làm kín pin nâng cao, lớp bảo vệ bên LiPON (1 m) parylene (6m) titan nhôm (0,1m) Pin Li-ion rắn SiTON/LiCoO2 có mật độ dịng điện q trình phóng 5mA/cm2, so sánh với pin Li-ion trụ, với dải điện áp từ 4,2V tới 2,7V Sự sử dụng vật liệu điện cực âm (anơt) cao, 600 mAh/g 2mA/cm2 Những pin thiết kế để sử dụng vi điện tử nơi mà tất linh kiện phải trì nhiệt độ 2500C 10 phút Chu kỳ đời sống pin cao (Hình 35.111 - trang 35.88) Hình 15: Dung lượng riêng chu kỳ Pin SiTON/LiCoO2 vào 3,93V 2,7V 4,1V 2,7V, mật độ dòng 0,08mA/cm2 250C 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học KẾT LUẬN Hiện thị trường có nhiều loại pin, pin Li-ion có nhiều đặc tính tốt so với loại pin chủng loại pin NiCd, NiMH (pin Li-ion vượt qua pin NiMH mật độ tích trữ lượng) Pin Li-ion ứng dụng đa dạng nhiều lĩnh vực, làm sở cho việc phát triển pin sinh học Nhưng nhược điểm pin Li-ion không ổn định, gây số cố điện thoại di động máy tính xách tay Do đó, cơng trình khoa học nghiên cứu pin tiếp tục tiến hành vật liệu pin Li-ion vấn đề quan tâm hàng đầu Việc cải tiến vật liệu làm điện cực dương cho phép đạt dung lượng cao hơn; vật liệu làm điện cực âm nghiên cứu vật liệu mạ thiếc, với việc cải tiến tính an tồn pin, điều cung cấp vị cho việc hoàn thiện tính pin lượng riêng, mật độ lượng, khả tốc độ độ bền lâu Tôi hi vọng đề tài giúp bạn đọc hiểu thêm pin Li-ion cấu tạo, trình hố học xảy pin đặc trưng pin Liion Đồng thời mong nhận góp ý, phê bình q thầy bạn để đề tài hoàn thiện 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý học TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... 1: Tổng quan Chương 2: pin dẫn ion Lithium 2.1: cấu tạo 2.2: vật liệu chế tạo pin Li -ion 2.3: trình xảy pin Li -ion Chương 3: đặc trưng hoạt động pin Li -ion Chương 4: pin Li -ion polymer pin Li -ion. .. khoa học nghiên cứu pin Li -ion tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng pin giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp tơi vào: ? ?tìm hiểu tổng quan pin Lithium ion “ LUAN VAN CHAT... nghiên cứu - Hiểu rõ q trình điện hóa phản ứng xảy điện cực - Đưa nhìn tổng quan pin Li -ion Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Khóa luận nghiên cứu tổng quan Pin Li -ion bao gồm: - Cấu tạo pin - Q trình