ĐỀ tài pin và ăc quy phát triển công nghệ và thị trường

ĐỀ TÀI Pin ăc quy - Phát triển công nghệ thị trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I mở đầu Nguồn điện hóa học hệ thống tích trữ lợng hóa học sử dụng đợc biến đổi thành điện dới dạng dòng điện chiều Ra đời vào đầu kỷ 18 (nh pin volta - năm 1800; ăcqui axit chì G Planté phát minh năm 1859; pin Leclanché năm 1866 trớc phát minh đynamô điện W von Siemens), nguồn điện hóa học đà chứng tỏ phơng tiện có hiệu suất biến đổi lợng cao (60 - 90%) ngày trở thành nguồn lợng phụ trợ thiếu đợc đời sống công nghiệp Nguồn điện hóa học cung cấp lợng từ vài chục mWh (dùng đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt thể, v.v ) hàng trăm kWh (dùng chạy ô tô điện hệ HEV, EV thay động xăng) cực đại đến hàng chục MWh (trạm phát điện pin nhiên liệu) Ngày riêng lĩnh vực công nghệ thông tin, bu viễn thông điện tử không dây đợc phát triển cách bùng nổ, ta hình dung "nguồn điện bỏ túi" tiên tiến - đóng vai trò nh trái tim hệ thống huyết mạch phơng tiện Trong chuyên đề "Nguồn điện hóa học - thành tựu triển vọng", đợc Trung tâm KHKT Hóa chất xuất vào tháng 6/1995, giới thiệu tổng luận phân tích giai đoạn 1980 - 1995, tác giả có đề cập đến dự báo chiến lợc phát triển nguồn điện hóa học giới cho ®Õn cuèi thÕ kû 20 Trong ®ã cã nãi vỊ triĨn väng cđa ngn ®iƯn Liti - mét ngn ®iƯn thc thÕ hƯ thø 3, lóc ®ã míi cã sản phẩm chế thử pin Liti ăcquy ion Li (loại AA) dự kiến làm nguồn nuôi cho điện thoại di động (ĐTDD) Mời năm sau vào thời điểm nay, ăcquy ion Li đà hoàn toàn đáp ứng bÃo hòa thị trờng ĐTDD (có tốc độ tăng trởng ~ 20%/ năm) Sự phát triển công nghiệp điện tử không dây luôn động lực phát triển công nghiệp battery "xách tay" Chính vậy, mà xu đợc gọi "hội tụ kỹ thuật số", nghĩa ĐTDD làm việc chụp ảnh, quay video, nghe nhạc số, duyệt web bùng nổ đà nhìn thấy trớc, cần loại nguồn điện mạnh hơn, nạp để thay ăcquy ion Li Ngời ta ý đến pin nhiên liệu "bỏ túi" chạy rợu metanol trực tiếp, đợc gọi pin DMFC? Nhờ thành tựu phát triển khoa học vật liệu, đặc biệt công nghệ nano, nhiều vấn đề lớn nh ăcquy cấp lợng cho ôtô lai điện (HEV), ôtô điện (EV); khai thác nguồn lợng tái tạo tích trữ hệ thống ăcquy để phục vụ đời sống đà đợc giải ngày có hiệu kinh tế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong chuyên đề này, giới thiệu nội dung: vấn đề chung (mục II); trạng công nghệ đặc tính kỹ thuật battery quan trọng đà thơng mại hóa nh số hệ có triển vọng thơng mại hóa (mục III), pin nhiên liệu nguồn điện nhiệt độ cao (mục IV) Giới thiệu vắn tắt loại nguồn điện có tên siêu tụ điện có triển vọng ứng dụng cho tơng lai gần (mục V) Tổng kết vài nét xu chiến lợc phát triển lĩnh vực nguồn điện giới nh bàn dự báo lộ trình thực (mục VI) Thay cho kết luận vài ý kiến đánh giá đóng góp tác giả công nghiệp sản xuất nguồn điện nớc ta bối cảnh hòa nhËp kinh tÕ víi thÕ giíi (mơc VII) II Giíi thiệu chung Phân loại hệ thống - Khái niệm định nghĩa [1] Một số khái niệm: Battery mét bé ngn ®iƯn hãa gåm mét hay nhiỊu tÕ bào điện hóa ghép với (ghép nối tiếp hay song song) Battery sơ cấp, hay gọi pin nguồn điện đợc chế tạo để làm việc lần (phóng đến kiệt bỏ, vật liệu điện cực ~25%) Battery thứ cấp, hay gọi ăcquy nguồn điện đợc chế tạo để làm việc nhiều lần, sau phóng điện nạp lại Một lần phóng/ nạp chu kỳ (CK) Đời sống làm việc ăcquy thơng mại hóa từ vài trăm đến hàng nghìn CK Các khái niệm battery, pin ăcquy đà đợc việt hóa dùng quen thuộc, song ngời tiêu dùng thờng nhầm lẫn chất, nên thờng bổ sung khái niệm nạp đợc không nạp lại đợc Trong xu tiết kiệm nguyên vật liệu giảm thiểu phế thải môi trờng, công nghệ trọng đến khả nạp lại đợc nguồn điện (rechargeable battery), khả có đợc không phụ thuộc vào chất điện hóa vật liệu điện cực mà phụ thuộc công nghệ biến tính vật liệu Vì bên cạnh pin kiềm quen thuộc Zn/MnO2, đà có pin "Kiềm Zn/MnO2 nạp lại đợc" để trở thành ăcquy, tên thị trờng RAM - Cell (Rechargeable Alkaline Manganese Dioxide), có ~200 CK làm việc Tơng tự bên cạnh pin Liti Li/MnO2 có ăcquy Li/ MnO2 (dạng CDMO) làm việc theo nguyên lý "ghế đu" (Rocking Chair) Pin nhiên liệu (fuel cells) xét chất máy phát điện hóa, biến hóa thành điện hoạt động sở phản ứng oxi hóa - khử nhiên liệu dẫn vào điện cực reactơ điện hóa Pin nhiên liệu hoạt động liên tục chừng việc cung cấp nhiên liệu từ bình chứa không bị ngắt Tên gọi pin nhiªn liƯu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dẫn đến hiểu lầm chất giống pin đà định nghĩa trên, thực hoạt động tế bào điện hóa chạy nhiên liệu (fuel cells) biến hóa thành điện để sử dụng Siêu tụ điện tích điện kiểu tụ điện, có chất cấu tạo sở lớp điện tích kép điện hóa nhờ sử dụng hệ điện môi đặc biệt nh hệ hạt cacbon kích thớc nanô phân tán điện li Khả tích trữ lợng (Wh/kg) thấp battery pin nhiên liệu nhiều bậc, song ngợc lại công suất phát dòng lại cao nhiều bậc tơng ứng Tên gọi siêu tụ điện (supercapacitors, ultracapacitors) lai tụ điện (Hybrid Capacitors) gắn với đặc điểm thời gian nạp điện ngắn, số chu kì làm việc gần nh vô tận, đợc khai thác để chế tạo nguồn điện Hình II.1 Mô hình cấu tạo tế bào điện hóa Hình II.1 trình bầy cấu tạo nguyên lí chung tế bào điện hóa không phân biệt battery (pin & ăcquy) pin nhiên liệu hay siêu tụ điện để giới thiệu số khái niệm chung Chẳng hạn cấu thành quan trọng tế bào điện hóa (thực chất reactơ điện hóa) hệ thống điện cực, bao gồm điện cực âm (-) điện cực dơng (+), đặt môi trờng điện li dẫn ion Để ngăn cách khu vực điện cực cách cho phép ion qua, trở lực dẫn điện (hay gọi nội trở) gần nh không đáng kể Khi làm việc dòng điện tử chạy qua mạch từ âm sang dơng phóng điện tải tiêu thụ điện Có khác battery, pin nhiên liệu siêu tụ điện? Sau sâu chất đợc trình bày kĩ hơn, song trớc mắt cần lu ý đặc trng sau đây: + battery, vật liệu điện cực chất mang lợng, đợc chế tạo từ vật liệu có hoạt tính điện cực (sản xuất gọi bột hoạt), pin nhiên liệu hệ điện cực nơi xúc tác trình điện cực nhiên liệu Nhiên liệu chất mang lợng Trong siêu tụ điện, cực gom điện tích dấu từ cấu trúc điện môi để tạo thành điện cực trái dấu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Kh¸i niƯm anèt gắn liền với trình oxi hóa (bị lấy electron) nơi d electron điện cực âm (-) Còn catốt gắn với trình khử (nhận electron), nơi thiếu electron điện cực dơng (+) + Ngoài dấu (-) (+) gắn với giá trị điện hóa điện cực (gọi tắt điện cực) tơng quan so sánh với điện cực chuẩn hyđro (NHE) Các đại lợng đặc trng cho khả tích trữ lợng nguồn điện hóa học [1], [8] Khả tích trữ chuyển hóa lợng nguồn điện hóa học nguyên tắc tính toán từ quan hệ nhiệt động bản: G = Amax = -n.F.E (II.1) Quan hệ định luật Faraday, cho biết công điện Amax tích điện lợng nF (do n mol electron vận chuyển), sức điện động E hình thành Mặt khác, biến thiên lợng tự G nguồn điện hóa làm việc điều kiện thuận nghịch tu©n theo: ∆G = ∆H - T ∆S (II.2) ∆H = biÕn thiªn entanpi ∆S = biÕn thiªn entropi Do hiệu suất biến đổi lợng hóa học sang lợng điện biểu diễn : = −A max ∆H = ∆G ∆H − T.∆S ∆S = = T H H H (II.3) Vì giá trị cđa T ∆S th«ng th−êng rÊt nhá so víi ∆H, nên hiệu suất chuyển hóa nguồn điện hóa học điều kiện lý tởng đạt 100% Điều chứng minh đờng điện hóa có khả biến đổi trực tiếp hóa thành điện với hiệu suất hẳn trình biến đổi trung gian khác (chẳng hạn hiệu suất Carnot) Tuy nhiên thực tế, hiệu suất chuyển hóa lợng nguồn điện hóa học thờng thấp tính toán lý thuyết Những thông số làm việc nh điện V, cờng độ dòng I nh biến thiên chóng theo thêi gian VI = f(t) hc V = f(I.t) cho phép đánh giá khả tích trữ chuyển hóa thực nguồn điện so sánh chúng với Hình II.2 biểu diễn đồ thị "V-t" đặc trng cho khả phóng điện nguồn điện cờng độ dòng điện I = const kh¸c (I1 I3t3 Nh nguồn điện, lợng đợc tích trữ đánh giá tùy thuộc điều kiện phóng điện Ngoài ngời ta quan tâm đến khối lợng thể tích chiếm chỗ nguồn điện, vật chất bên nguồn điện chất mang lợng khả tích trữ lợng đơn vị khối lợng (hoặc thể tích) đợc gọi đại lợng riêng thớc đo quan trọng Để phát triển nguồn điện sở vật liệu mới, cải tiến kết cấu thay đổi công nghệ, cần thiết phải đánh giá thông số quan trọng sau đây: a Dung lợng C [Ah] dung lợng riêng [Ah/kg] Dung lợng điện lợng tích trữ đợc tính tích cờng độ dòng điện I[A] nhân với thời gian t [h] Để xác định dung lợng ®Þnh danh cđa mét ngn ®iƯn, ng−êi ta phãng ®iƯn ë I chuÈn = const theo thêi gian cho ®Õn điện nguồn điện sụt đến giá trị Vd quy định Dung lợng riêng điện lợng tích trữ quy đơn vị khối lợng [Ah/kg] quy đơn vị thể tích chiếm chỗ nguồn điện [Ah/dm3 Ah/lít] Một nguồn điện tốt cần có dụng lợng tích trữ lớn, nhng kết cấu lại phải gọn nhẹ Tất nhiên chất vật liệu điện cực đóng vai trò định Dung lợng riêng vật liệu nguồn điện phổ cập nh chì 260 Ah/kg; kẽm 820Ah/kg Liti 3860 Ah/kg xu để phát triển nguồn điện có dung lợng cao phải sở Liti LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com b Công suất P [W] công suất riêng [W/kg] Công suất nguồn điện đợc tính tích điện V [V] nhân với cờng độ dòng I [A]: P = V x I Quá trình phóng điện (hình II.3) làm cho điện định danh Vđd nguồn điện giảm dần Vì để tính công suất P, điện V giá trị trung bình Vđd Vd I Hình II.3 Đồ thị V/P = f(I) Công suất riêng đại lợng tính đơn vị khối lợng [W/kg] đơn vị thể tích [W/dm3; W/lít] c Mật độ lợng E [Wh/kg] [Wh/dm3] Mật độ lợng đại lợng lợng riêng, đợc tính tích dung lợng riêng [Ah/kg] nhân với điện [V] Thứ nguyên mật độ lợng [Wh/kg] [Wh/dm3 hay Wh/lít] Mật độ lợng thớc đo hữu ích khả tích trữ làm việc nguồn điện Có thực tế nguồn điện hóa học trình độ công nghệ đạt 1/3 giá trị lý thuyết mật độ lợng Chẳng hạn ăcquy chì axit, mật độ lợng lý thuyết 165 Wh/kg, thực tế phổ biến đạt 40 Wh/kg Các nguyên nhân dẫn đến giới hạn mật độ lợng gồm có nguyên nhân chất động học trình điện cực xẩy nguồn điện lẫn nguyên nhân kết cấu cha hợp lý nguồn điện mà sau ta sâu phân tích d Hiệu suất [%] Hiệu suất điện hóa đại lợng đặc trng cho hiệu trình chuyển hóa lợng điện hóa: [%] = Năng lợng thực tế El (II.4) Năng lợng lý thuyết Elt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com HiÖu suÊt thùc tế loại nguồn điện hóa học dao động khoảng 30 70 Giới hạn đặc trng cho loại nguồn điện Để tiện cho việc sử dụng ngời ta dùng khái niệm hiệu suất Coulomb hiệu suất phóng/nạp: Hiệu st Coulomb = Dung l−ỵng phãng = Ip.tp Dung l−ỵng nạp = In.tn (II.5) Nếu chọn điều kiện Ip = In theo dõi thời gian Vp quy định hiệu suất Coulomb nguồn điện hóa học dao động khoảng 70 ữ 90% Đặc điểm nguồn điện hóa học sở phát triển khoa học vật liệu đổi công nghệ [8]: Nguồn điện hóa học truyền thống (bảng II.1) nguồn điện đà có lịch sử phát triển gần 100 năm Năng lợng hóa học đợc tích trữ theo nguyên lý cực, sử dụng hệ kim loại/oxit kim loại, môi trờng điện ly dung dịch nớc muối, axit kiềm Tuy phục vụ tốt yêu cầu đời sống công nghiệp thông thờng, song không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao lý sau đây: - Các thông số lợng riêng [Ah/kg Wh/kg, Wh/l] xa đạt giá trị lý thuyết - Về mặt vật liệu điện cực, sử dụng phổ biến kim loại khan độc hại (Zn, Pb, Ni, Cd ) HƯ sè sư dơng vËt liƯu trình độ công nghệ thÊp (∼ 40 - 50%) Sau sư dơng trë thµnh phế thải công nghiệp gây ô nhiễm môi trờng (do công nghệ tái chế tốn nên pin Zn/MnO2 không chủ trơng thu hồi) - Nguyên lý kết cấu cổ điển nguồn điện hành nguyên nhân cải thiện thông số lợng riêng Bảng II.1 Một vài nguồn điện hóa học truyền thống (sơ cấp thứ cấp) Hệ Pin Zn/MnO2 - Clorua kÏm - KiÒm ¡cquy axit Pb/PbO2 ¡cquy kiềm Ni/Cd Chất điện ly Điện [V] Mật độ lợng Ett (Elt) [Wh/l] [Wh/kg] ZnCl2 KOH 1,5 1,5 140 350 75 (190) 120 (190) H2SO4 2,0 50-80(890) 30-50(165) KOH 1,3 60-70(690) 55 (210) Ghi chú: Các giá trị ( ) giá trị lý thuyết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Râ rµng r»ng để đạt đợc đột phá kỹ thuật, cần thiết phải lựa chọn vật liệu điện cực có mật độ tích trữ lợng cao phong phú tự nhiên Đó nguyên tố góc bên trái bảng tuần hoàn Mendeleep nh H, Li, Na, Mg, Ca, Al nguyên tố góc bên phải nh O, S, F, Cl, Br hợp chất chúng với (hình II.4), mà trình độ công nghệ trớc cha sử dụng đợc chúng có tính chất điện hóa, hoạt động nh Li, Na, F2, Cl2, Br2, SO2, SOCl2, SO2Cl2 Hình II.4 Vật liệu điện cực nguồn điện ( ) nguồn điện truyền thống (O) bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep Nhiều vật liệu điện cực đợc tổng hợp theo kiểu "thiết kế" ®Ĩ tèi −u hãa mèi quan hƯ gi÷a cÊu tróc hoạt tính điện hóa, theo tiêu chuẩn vật liệu tiên tiến, chẳng hạn nh hợp chất liệu kim loại AB5 làm điện cực âm cho ăcquy Ni-MH hợp chất cài ion sở oxit phức hợp LixNiO2, LixCoO2, LixMn2O4 sử dụng làm vật liệu catot ăcquy ion Li Trên sở vật liệu mới, nguyên lý tích trữ truyền thống kết cấu nguồn điện đà thay đổi gần nh hoàn toàn Có thể nêu vài ví dụ điển hình nh: - Nguyên lý nạp/ phóng ăcquy Ni-MH không giống nh ăcquy Ni-Cd mà dựa sở hấp thụ/ nhả hấp thụ vật liệu điện cực tích trữ hydro - Nguyên lý làm việc ăcquy ion Li dựa sở trình tích/ thoát ion Li vào mạng cđa vËt liƯu cµi ion (Ion intercalation compounds) theo kiĨu dao động ghế đu ("Rocking chair" princip) + - Nguyên lý hoạt động ăcquy nhiệt độ cao (100 - 350oC) nh Na/S dựa sở vật liệu điện cực Na S thể nóng chảy, môi trờng điện ly gốm -Alumina thể rắn (ngợc lại hoàn toàn với kết cấu ăcquy điện ly nớc cổ điển) Tất đổi công nghệ chế tạo nhằm cải thiện thông số lợng riêng, tạo nguồn điện có kết cấu chặt nhỏ gọn, mật độ tích trữ lợng ngày cao hơn, triển vọng tiệm cận giá trị lý thuyết sử dụng thân thiện với môi trờng 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Những tiêu chí chất lợng yếu tố định [1], [2] P.Ruetschi ngời (1993) đa tiêu chí 3E để khái quát hóa chất lợng nguồn điện tiên tiến: Energy, tức mật độ lợng cao đơn vị khối lợng [Wh/kg] đơn vị thể tích [Wh/l Wh/dm3], mức phấn đấu phải đạt giá trị lý thuyết theo tính toán nhiệt động chuyển hóa lợng Economics, tức tính kinh tế sở giá thành chế tạo thấp từ nguyên liệu sẵn có, có đời sống sử dụng dài bảo dỡng chi phí bảo dỡng thấp Environment, tức tính thân thiện môi trờng loại bỏ nguyên vật liệu độc hại; tiêu thụ lợng thấp 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 tiền đề tiêu chuẩn ISO 14000 áp dụng cho công nghiệp nguồn điện hóa học P.Ruetschi F.Beck đà nêu định hớng công nghiệp nguồn điện hóa thập kỷ tới nh sau: a Phải chuyển hớng công nghệ sang sử dụng nguyên vật liệu phong phú thiªn nhiªn (nh− Li, Na, S, halogen ) nh−ng có mật độ lợng cao hẳn vật liệu truyền thống sử dụng vật liệu tiên tiến đợc tổng hợp theo kiểu "may đo" đạt tính chất chọn trớc cấu trúc chế tạo định Loại bỏ hoàn toàn vật liệu phụ gia độc hại Dây chuyền sản xuất phải tự động hóa cao, không phế thải b Vật liệu điện cực âm phải có hydro cao, nh vật liệu điện cực dơng phải có oxi cao, để hạn chế thoát khí đạt độ tự phóng thấp c Dung dịch điện ly (nớc; không nớc rắn) phải có độ dẫn cao, làm việc vùng nhiệt độ rộng, đảm bảo tốc độ phóng/nạp cao d Thay đổi kết cấu nguồn điện vật liệu để giảm trọng lợng thể tích chiếm chỗ, giảm linh kiện, có độ bền cao; hoàn toàn đóng kín khống chế nạp; cải tiến công nghệ nạp thiết bị nạp e Chỉ số mật độ lợng phấn đấu cho giai đoạn trung hạn sau 2010 120 ữ 140 Wh/kg; chu kỳ làm việc 1000 ÷ 1200 CK 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình IV.4 Độ dẫn điện vài chất dẫn ion nhanh phụ thuộc nhiệt độ Hình IV.5 Cấu tạo ăcquy Na/S (hÃng ABB) 3.3 Cấu tạo thực tế ăcquy Na/S Hình IV.5 trình bày cấu tạo mẫu thiết kế đà thơng mại hóa (hÃng ABB) với phận nh sau: Nếu xuất phát từ bao -Alumina để nhận biết, bao điện ly khoang chứa lu huỳnh nóng chảy, bên bao khoang chứa natri nóng chảy Để bảo đảm an toàn, Na nóng chảy đợc dự trữ catút kim loại lồng vào bao -Alumina tự tháo từ lỗ thoát đáy nhờ khe hẹp Natri nóng chảy đợc tiêu tốn đến đâu đợc bổ sung ®Õn ®Êy, gi÷ 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nguyªn tiÕt diƯn tiÕp xóc Vá catót chÝnh cực âm ăcquy Bao kim loại Al cực dơng Ưu việt trình điện cực xảy ăcquy trình phụ, nên đóng kín hoàn toàn để giữ nhiệt đảm bảo an toàn làm việc Bảng IV.2 trình bày thông số kỹ thuật chuẩn ăcquy đơn Na/S hÃng ABB: Trớc hết thấy ăcquy Na/S có số kỹ thuật hấp dẫn, điện hở mạch cao, mật độ lợng hẳn ăcquy cổ điển trình độ công nghệ đạt ~l/6 giá trị lý thuyết; chu kỳ làm việc cao đặc biệt tợng tự phóng thuộc chất điện hoá Vật liệu điện cực rẻ sẵn có, dễ chế tạo sau sử dụng dễ dàng tái chế Bảng IV.2 Thông số kỹ thuật chuẩn ăcquy Na/S (hÃng ABB) Trình độ 1990 → Ghi chó [Wh/kg] 120 lý thuyÕt 792 [Wh/l] 130 1196 Dung lợng [Ah] 40 Điện hở mạch [V] 2,08 Dòng làm việc liên tục [A] 40 Hiệu suất lợng [%] 70 - 90 Số chu kỳ làm việc [CK] 600 - 700 Độ tự phóng điện hóa [%/ngày] Độ tự phóng nhiệt [%/ngày] Dung nhiệt [Ws/K] Thông số kỹ thuật Năng lợng riêng kết thúc phóng (70%C)=1,87 tùy thuộc vào chế độ phóng 600 Là nguồn điện làm việc nhiệt độ cao (350oC) đà đặt loạt vấn đề kỹ thuật phức tạp, chẳng hạn vấn đề gia nhiệt khởi động làm việc chế độ gián đoạn, vấn đề cách nhiệt giữ cho nhiệt độ bên ăcquy 290 ữ 340oC Bù lại, với điều kiện làm việc nhiệt độ cao dung nhiệt ~610 Ws/K xem ăcquy Na/S nguồn dự trữ, nhiệt thải tận dụng để sởi ấm ô tô điện trình độ kỹ tht hiƯn cho phÐp thùc hiƯn nh÷ng thiÕt kÕ hoàn hảo, hình thức gọn nhẹ, sử dụng thuận tiện Đối tợng sử dụng ăcquy Na/S phong phú: Trong tơng lai gần lắp cho ô tô điện; ăcquy Na/S lắp thành trạm điện gia đình trạm điện khu vực cho nơi hạn chế sử dụng mạng điện lới nhằm mục ®Ých c©n b»ng 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lợng ngày/đêm Nhật Bản đà có trạm điện ăcquy Na/S với tổng lợng tích trữ từ 10 ữ 40 MWh ăcquy kim loại kiềm nhiệt độ cao khác [8] Ngoài ăcquy Na/S có ăcquy nhiệt độ cao khác đợc nghiên cứu triển khai, sở khai thác mật độ tích trữ lợng cao kim loại kiềm; sử dụng chất điện ly rắn dẫn ion, nh động học thuận lợi trình điện cực nhiệt ®é cao nh−: (i) Na ⏐ βII-Alumina ⎜ NiCl2 (ii) Li(Al) hỗn hợp muối LiCl-LiBr-KBr FeS2 (còn gọi lµ hƯ BETA) (HƯ ZEBRA) HƯ BETA (i) cã cÊu tạo làm việc giống ăcquy Na/S nhiệt độ 320oC xảy trình điện cực kiểu trao đổi ion qua mµng βll-Alumina: p ⎯ ⎯→ 2NaCl + Ni Na + NiCl2 (IV.3) n Dạng II dạng thù hình có độ dẫn gấp ba lần dạng thông thờng, có cấu trúc tinh thể hình thoi đợc ổn định ion Mg2+ khu vực điện cực NiCl2 có thêm chất điện ly phụ NaAlCl4 để tăng khả vận chuyển trở lại ion Na+ nạp Hệ ăcquy có điện áp hở mạch 2,59V; mật độ lợng đạt ~80 - 100 Wh/kg; mật độ công suất ~210 W/kg; số chu kỳ làm việc đạt ~ 1200 CK Với số kỹ thuật đạt đợc có triển vọng ứng cử viên cho ô tô chạy điện vào năm 2010 Hệ ZEBRA (ii) nguồn điện tiên tiến dự kiến phát triển dài hạn Nguyên lý làm việc dựa vào phản ứng tổng quát: p ⎯→ Li2FeS2 (IV.14) Li + FeS2 ← ⎯⎯ n VËt liệu anot hợp kim LiAl; vật liệu catôt FeS2 vật liệu có cấu trúc xen lớp, có khả cài ion Li+ vào cấu trúc tạo thành hợp chất Li2FeS2 Dung dịch điện ly hỗn hợp muối nóng chảy LiCl + LiBr + KBr ăcquy làm việc nhiệt độ ~425oC cho điện áp hở mạch 1,76 V; mật độ lợng đạt 130 - 200 Wh/kg, mật độ công suất 200-500 W/kg Với thông số kỹ thuật đạt đợc nguồn điện chế thử, ăcquy Li(Al)/FeS2 đợc xếp vào lịch trình triển khai sau năm 2010, để phục vụ phát triển ôtô chạy điện V Siệu tụ ®iƯn [8] Chóng ta ®Ịu quen biÕt kh¸i niƯm tơ điện nh linh kiện điện, đặc trng giá trị điện dung C [F; àF; pF] Cấu tạo tụ điện gồm cực kim lo¹i 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tích điện trái dấu đối xứng với nhau, ngăn cách chất điện môi Giá trị điện dung C phụ thuộc điện lợng tích trữ Q điện định dạng U C= Q U Gần đây, tụ điện điện hóa - gọi siêu tụ điện (super capocitoro) tụ lai (hybrid capacitors) đợc quan tâm nghiên cứu nh phơng tiện tích trữ lợng với dải mật độ lợng thấp từ 0,05 ữ 10kWh/kg nhng bù lại lợi vỊ c«ng st tõ 10 - 106 W/kg, thêi gian cần thiết để nạp điện cỡ 10-8 giây, số chu kỳ làm việc dễ dàng đạt 106 CK với độ ổn định cao Với đặc tính kỹ thuật u việt nh vậy, tụ điện điện hóa đóng vai trò quan trọng mạch điện tử, máy tính, bảo vệ nhớ, nguồn nuôi truy cập ngẫu nhiên DRAM , cã doanh sè 150 - 200 triƯu USD hµng năm Sắp tới, việc ghép tụ điện điện hóa với ăcquy (Ni/MH, ăcquy ion Li+) pin nhiên liệu cho hệ xe máy ôtô điện, đợc xem nh lựa chọn kinh tế Hình V.1 Cấu tạo nguyên lý siêu tụ điện Cấu tạo tụ điện điện hóa gồm cực đợc chế tạo từ vật liệu hạt nanocacbon, có bề mặt riêng cao, đợc xúc tác hóa RuO2 bao bọc màng điện ly (hình V.1) Điện dung đạt đợc lên tới 25F/g tính theo lợng vật liệu điện cực sử dụng từ 10 - 40 µF/cm2 tÝnh theo tiÕt diƯn lµm viƯc cđa ®iƯn cùc Điện định danh 1V dung dịch điện ly nớc (trong trờng hợp sử dụng điện ly hữu cơ, điện định danh đạt 2,7V, song nội trở tụ điện lại lớn 100 lần so với dung dịch nớc, thời gian tích điện chậm tơng ứng) 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để cải thiện hành vi phóng điện, loại tụ điện điện hóa đợc chế tạo theo cấu tạo bất đối xứng, nghĩa chØ mét cùc tõ vËt liƯu cacbon, cßn cùc điện cực redox nh NiOOH, vật liệu míi nh− Li4Ti5O12; polyme dÉn nh− polyaniline, polypyrrole, polidiaminoanthraquynone Điện dung bề mặt đạt đợc đến 200 àF/cm2 Với chức nguồn điện phụ trợ, siêu tụ điện đợc sử dụng ứng dụng chủ yếu sau đây: - Đối với thiết bị điện tử hay dùng chế độ xung (nh điện thoại di động ) nguồn điện hóa đợc đấu song song với siêu tụ điện, tăng hiệu suất sử dụng từ đến lần - Chế tạo nguồn dự phòng điện USP (Uninterruptable Power Supply) phơc vơ cho hƯ thèng thiÕt bÞ không ngắt cho nhiều lĩnh vực (thông tin, y tế, ngân hàng, quân sự, hàng không v.v thời gian điện đợc phép vài giây đến vài phút cùng) - Các hệ thống khởi động, báo động, vận hành tự động điều kiện chăm sóc VI Xu phát triển lĩnh vực nguồn điện hóa học giới Xu phát triển Sự phát triển nguồn điện hóa học tơng lai gần (đến 2010) chuẩn bị cho giai đoạn dài hạn (2010 - 2020) dựa thị trờng tiêu thụ sau đây: 1.1 Thị trờng thiết bị điện tử [5c] Thị trờng thiết bị điện tử bao gồm thiết bị bu viễn thông không dây; máy tính xách tay; điện tử dân dụng đa dạng; máy y tế cấy ghép; đồ chơi v.v xem thị trờng tiêu thụ với tốc độ tăng trởng cao ổn định Xu sản xuất ăcquy kích thớc nhỏ (AA R6) mạnh pin loại, đặc biệt phục vụ đối tợng kỹ thuật cao đòi hỏi mặt công suất Thật vậy, xu thÕ "héi tơ kü tht sè" triƯt ®Ĩ điện thoại di động hôm tơng lai tạo cho ngời tiêu dùng nhiều tiện nghi, đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng battery công suất cao nh ăcquy ion Li, ăcquy Ni-Mh chí phải tính đến pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp DMFC Pin kiềm Zn - MnO2 chỗ đứng thiết bị điện tử thông thờng, nhng phát triển pin kiềm nạp lại đợc RAM-Cell, tên RENEWAL Mỹ đà thuyết phụ đợc ngời tiêu dùng không giá rẻ mà ý nghĩa tiết kiệm nguyên liệu, bảo vệ môi trờng Vấn đề thu hồi tái sinh nguồn điện sau sử dụng phải đợc đặt nghiêm trọng giống nh khắc phục "rác thải điện tử" Vấn ®Ị nan gi¶i hiƯn 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com công nghệ tái sinh pin sau sử dụng có giá thành đắt chế tạo Ăcquy Ni-Cd ngừng sản xuất sau 2008 EU phải giảm sản xuất với tốc độ 5,5% năm nhiều nớc khác Doanh số ăcquy ion Li Ni-MH loại nhỏ xấp xỉ vào năm 1996, doanh số ăcquy ion Li đà gấp đôi Trớc thị trờng gần nh bÃo hòa, nhà sản xuất hàng đầu giới lựa chọn khác phát triển chất lợng (nâng số Wh/kg, Wh/l) hạ giá thành nh đồ thị VI.1 ăcquy ion Li, kích thớc 18650 phổ cập dới ví dụ: Hình VI.1 Biến thiên chất lợng (Wh/l Wh/kg) giá thành chế tạo ($/Wh) 1.2 Thị trờng ăcquy SLi (khởi động chiếu sáng) chất lợng cao [2], [7e-d] Ăcquy axit chì thống soái đối tợng ứng dụng Tốc độ tăng trởng ăcquy ôtô tơng ứng với số xe ôtô sản xuất quốc gia Do tiện nghi ôtô ngày cao, nên đòi hỏi ăcquy đặc chủng có chất lợng cao mật độ lợng tính [Wh/kg] [Wh/l] Điện áp thiết kế cần thiết 36ữ42V, hoàn toàn không bảo dỡng loại VRLA (sealed and valve regulated), công suất thiết kế kW yêu cầu nhà thiết kế ôtô đời Vấn đề thu hồi tái sinh ăcquy axit chì ví dụ điển hình thành công bảo vệ môi trờng (95% ữ 98% đợc tái sinh) - Công nghệ tinh luyện nhiệt phân đợc thay điện phân đà giảm hẳn phát tán Pb môi trờng Vì ăcquy axit chì đợc xem hƯ battery "xanh" nhÊt hiƯn 1.3 VỊ lÜnh vùc xe chạy điện ăcquy (HEV, EV) [2], [7] Thị trờng xe máy điện, ôtô lai điện HEV (chạy tổ hợp động đốt ghép với động điện chạy ăcquy) ôtô điện EV (hay gọi hệ ôtô không khí thải - ZEV) thị trờng sôi động sau 2010 nhiều lý do: - Vấn đề khủng hoảng dầu mỏ năm gần buộc nhiều quốc gia phải thay đổi chiến lợc lợng sử dụng nhiªn liƯu 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Luật môi trờng nớc phát triển hạn chế xe chạy động đốt bắt đầu có hiệu lực (ở Mỹ năm 2003) - Công nghệ ăcquy cho xe ôtô điện đà có đủ độ chín sau đột phá kỹ thuật quan trọng, chẳng hạn lấy số mật độ tích trữ lợng ăcquy tiên tiến đạt số E = 100 Wh/kg, đoạn đờng chạy đợc L xe ôtô điện đợc tính nh− sau: L = k.E m m B V Trong ®ã k lµ hƯ sè = 6,7 km kg/Wh; m tỷ số khối lợng ăcquy (mB) m B V khối lợng xe ôtô (mV) Nếu thiết kế m = 0,1 L = 70km, chấp nhận m B V m = 0,3 đoạn đờng L = 230 km Sư dơng pin nhiªn liƯu cã thể đạt đợc quÃng m B V đờng di chuyển 450 km, nh không thua so với xe chạy động đốt Vấn đề chủ yếu giá thành chế tạo ăcquy tiên tiến cao, thêm dịch vụ bảo dỡng, độ ổn định an toàn, mặt khí xe HEV giảm đợc nhiều chi tiết chế tạo xe ôtô Ba ứng cử viên nguồn điện điện hóa lần lợt ăcquy chì axit VRLA, ăcquy Ni-MH ăcquy Li-ion ghép lại với siêu tụ điện, ứng cử viên có triển vọng Trớc mắt đời hệ xe lai điện HEV thị trờng (xem bảng VI.1) Toyota Honda sản xuất Bảng VI.1 Xe HEV cđa NhËt H·ng KiĨu ¡cquy C«ng st điện [kW] Điện áp Năng lợng thiết kế [V] ăcquy [kWh] Năm sản xuất Toyota Prius NiMH 25 288 1,75 1997 Honda Insight NiMH 10 144 0,8 1999 Toyota Estima NiMH 20 216 1,4 2001 Toyota Crown VRLA 42 0,8 2001 Honda Civic NiMH 12 144 0,8 2002 Ôtô lai điện chạy pin nhiên liệu bùng nổ vào giai đoạn 2010 - 2020 với tốc độ tăng trởng 20 - 25% năm, nhiên nhà sản xuất ôtô hàng đầu giới (nh Daimler - Chrysler; Ford; General Motors; Honda; Nissan; Toyota vµ 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Volkswagen) đà bắt đầu bán sản phẩm vào năm 2007 trở với động hybrid chạy Pin nhiên liệu/Battery Pin nhiên liệu/Siêu tụ điện; nhiên liệu hydro nén hóa lỏng Giá điện 1kWh dự kiến vào năm 2008 ăcquy axit chì VRLA 180 USD, ăcquy Ni-MH 750 USD; pin nhiên liệu SOFC vào năm 2010 dự kiến 400USD Trong điều kiện xe HEV, tuổi thọ ăcquy Ni-MH đạt từ ữ 8, ăcquy axit chì VRLA đạt năm Về lâu dài phải trông chờ vào tuổi thọ "kinh tế" pin nhiên liệu ( sau 2010) Pin nhiên liệu nhiệt độ thấp AFC, PEMFC chạy khí H2 nén hóa lỏng; pin nhiên liệu nhiệt độ cao MCFC, SOFC chạy khí tự nhiên nh CH4, hydrocacbua Pin nhiên liệu DMFC sử dụng rợu methanol lỏng làm nhiên liệu, làm việc nhiệt độ thấp mở mét triĨn väng míi lÜnh vùc d©n dơng 1.4 Ăcquy cố định để tích trữ lợng mặt trời [2] Tích trữ lợng tản mạn nh mặt trời, gió ngày đóng vai trò quan trọng mà hệ thống chuyển đổi nh pin mặt trời photovoltaic động gió nhờ thành tựu vật liệu cho hiệu suất chuyển đổi ngày cao Còn ăcquy điện hóa phơng tiện để tích trữ điện Các trạm điện ăcquy axit chì có công suất thiết kế lên tới hàng MWh Tiềm phụ thuộc vào cấu lợng quốc gia Tuy nhiên mạng lới điện quốc gia luôn cần có trạm điện ăcquy để làm nhiệm vụ san tải (load-levelling) Khi có điện hạt nhân, hệ thống tổ hợp "Điện hạt nhân - Điện phân điều chế hydro- Xa lộ hydro - Pin nhiên liệu" giải pháp cung cấp điện hữu hiệu Dự báo mục tiêu lộ trình phát triển Khác với ý nghĩa sơ khai ban đầu, nguồn điện hóa học ngày đợc xếp vào nhóm kỹ thuật cao Vì vấn đề dự báo mục tiêu lộ trình phát triển có tầm quan trọng đặc biệt, chẳng hạn: - Việc nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu đạt đợc đột phá quan trọng vào năm 1960 sau đợc xác định nguồn điện điện hóa dùng để tích trữ lợng mặt trời tái tạo H2O tàu vũ trụ Đến năm 1973 bắt đầu có khủng hoảng dầu lửa tần suất khủng hoảng nhiên liệu ngày tăng, việc phát triển giao thông ôtô chạy điện ngày thiết vai trò pin nhiên liệu dân dụng nguồn điện thân thiện với môi trờng đợc xác định ứng cử viên số trớc 2010 - Không có xúc tiến nghiên cứu nguồn điện có mật độ lợng cao dựa sở vật liệu vào năm 1970, nguồn điện 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tiªn tiÕn nh− ăcquy Li, ăcquy ion Li, ăcquy Ni-MH kịp đón đầu phát triển nh vũ bÃo điện tử không dây kỹ thuật số ngày Các nớc đầu lĩnh vực KHKT đà đề lộ trình dài hạn để phát triển nguồn điện tiên tiến, đầu t hàng trăm triệu USD nh Mỹ có "Mid - and Long Term Goals of US Advanced Battery Consortium (1976 - 2000)"; cộng đồng châu Âu có "R&D Objectives Set of Commission of European Communities of Battery(1978)" vµ bổ xung "Objectives of past programme (1978 ữ 1988)" Để phát triển nguồn điện Ni-MH, Nhật Bản bắt đầu nghiên cøu víi dù ¸n lín cÊp qc gia WE - NET PROTIUM vào năm 1970 đến năm 1990 bắt đầu thơng mại hóa nguồn điện Ni-MH năm 2000 lần hÃng HONDA xuất xởng xe HEV, kiểu PRIUS chạy ăcquy Ni-MH Còn Trung Quốc, bắt đầu nghiên cứu nguồn điện Ni-MH chơng trình R&D công nghệ cao quốc gia "863" vào năm 1986 Đến năm 1991 đà thơng mại hóa hàng loạt chủng loại ăcquy Ni-MH dân dụng môđun NiMH cho ôtô điện Dự kiến ®Õn thÕ vËn héi Olympia B¾c Kinh 2008 sÏ phÊn đấu đa xe ôtô chạy điện ăcquy vào vận hành, để biểu tợng cho thành phố xanh - - đẹp Đại thể thời gian cần thiết để phát triển nguồn điện từ nghiên cứu đến thơng mại hóa khoảng 20 - 30 năm Đối với nớc sau công nghệ lạc hậu, để chủ động hội nhập đổi công nghệ, kế sách "phép thần" để có đợc sản phẩm công nghệ cao mà không tính đến liên doanh Hình thức liên doanh sản xuất phổ biến giữ nguyên thiết kế gốc hÃng để đợc hởng uy tín thơng hiệu (phơng thức OEM) nhằm sớm có sản phẩm đa thị trờng VII Một vài đánh giá ý kiến đóng góp thay cho kết luận Vài nét sản xuất pin ăcquy Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam (VINACHEM) 1.1 Tình hình sản xuất pin ăcquy (2003 - 2005) [10] Theo sè liƯu cđa Ban KÕ ho¹ch - Thị trờng VINACHEM tình hình sản xuất pin ăcquy công ty (PINACO, TIBACO, Pin Hµ Néi vµ ¡cquy - Pin VÜnh Phó) năm gần (2003 - 2005) nh sau: - Về pin: đạt sản lợng 325 triệu viên (trên tổng công suất thiết kế 500 triệu viên) - Về ăcquy: đạt sản lợng 725.000 kWh (trên tổng công suất thiết kế 975.000 kWh) Tốc độ tăng trởng sản phẩm đạt ữ 8% năm, doanh thu đạt ữ 10% tổng giá trị sản xuất công nghiệp VINACHEM, đáp ứng 90% nhu cầu thị trờng pin, 50 - 70% ăcquy thị trờng nội địa Sản phẩm truyền thống pin Zn/MnO2 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (R6, R20) vµ ăcquy axit chủng loại từ 12A ữ 1200 Ah phục vụ khởi động ôtô, xe máy; dân dụng, mỏ Có tỷ phần nhỏ xuất sang nớc lân cận, Trung Đông vài nớc khác 1.2 Hiện trạng công nghệ bất cập [10] Các sở sản xuất pin ăcquy VINACHEM có tuổi đời dới 40 năm với hệ thống dây chuyền công nghệ thiết bị nguyên thủy thuộc hệ 1960 Những nỗ lực đổi công nghệ năm gần nhiều mang tính chất cải thiện lực sản xuất công đoạn hạn chế vốn, nên hiệu tổng thể cha khắc phục đợc chi phí sản xuất cao, tiêu hao lợng lớn, sản phẩm làm có sức cạnh tranh thấp (chẳng hạn ăcquy khởi động chiếm 50 - 70% thị trờng nội địa, nhng bớc đầu tham gia công nghiệp lắp ráp ôtô chất lợng cao; pin đáp ứng 90% nhu cầu thị trờng "đèn - đài", nhng giá trị doanh thu thấp chỗ đứng thị trờng điện tử không dây v.v ) Nền sản xuất nguồn điện nớc ta không đón đầu gắn kết đợc với thị trờng đầy tiềm xuất nớc ta, công nghiệp lắp ráp ôtô chất lợng cao có nhu cầu đặc chủng ăcquy thị trờng điện tử không dây bu viễn thông với tốc độ tăng trởng 20% năm có nhu cầu battery nạp lại đợc hệ mới, ăcquy ion Li Ni-MH Trong kế hoạch "tầm nhìn 2005 - 2010 - 2020", VINACHEM dự kiến nhập công nghệ ăcquy Ni-MH vào khoảng trớc 2007, ăcquy ion Li mÃi sau 2007 (?) Thật vậy, đà chậm trễ hoạch định tìm kiếm liên doanh để đổi công nghệ nhằm tạo sản phẩm đón đầu thị trờng Hiện nớc ta đà tồn doanh nghiệp 100% vốn nớc ngoài, sản xuất ăcquy đặc chủng cho công nghiệp lắp ráp ôtô xuất (3K - Battery, LELONG, VN - Malaysia GS-VN), có lực sản xuất gấp nhiều lần sản lợng ăcquy VINACHEM, sẵn sàng bÃo hòa chiếm lĩnh thị trờng truyền thống với chất lợng từ thơng hiệu tên tuổi Có lẽ nên đánh giá lại kiện PINACO năm 1996 đà từ chối liên doanh với MC (Mitsubishi) JSB (Japan Storage Battery) để thành lập nhà máy GS-VN với lý bảo hộ sản xuất nớc Đây sai lầm xu AFTA WTO, bỏ qua hội để đổi công nghệ bớc thị trờng bên cạnh thơng hiệu tên tuổi lĩnh vực nguồn điện Một thật khác thuộc thị trờng điện tử không dây, nớc ta đà có 10 triệu thuê bao điện thoại di động (ĐTDĐ tăng trởng từ 1995 ữ 2005 20 lần; dự kiến đến 2010 có 36 triệu thuê bao ĐTDĐ), luôn có nhu cầu 10 triệu ăcquy ion Li (3,6V - 1Ah)/năm từ đờng phi mậu dịch Một phép tính đơn giản cho thấy với đơn giá ữ USD/Battery hiƯn nay, ta ®· thua thiƯt mét doanh số 30ữ40 triệu USD/năm, tơng đơng 1/2 doanh số toàn ngành pin ăcquy Việt Nam đà sản xuất Nếu dự báo tốt, vấn đề gọi vốn đầu t liên doanh cho quy mô sản xuất cớ 15 - 20 triệu ăcquy ion Li/năm 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khó khăn không vợt qua đợc, mà chủ yếu thiếu cập nhật tiến KHKT, cha sẵn sàng nắm bắt công nghệ nên lộ trình cụ thể để triển khai chậm trễ đổi công nghệ thực không nguy tụt hậu mà thua thiệt kinh tế không nhỏ ảnh hởng trực tiếp đến tăng trởng ngành Ngợc lại dây chuyền công nghệ chế tạo pin ăcquy đà hết khấu hao, tiêu tốn lợng gây ô nhiễm, nên có lộ trình giảm sản xuất tiến tới ngừng hẳn để nhập công nghệ mới? Một vài ý kiến đóng góp thay cho kết luận Xuất phát từ góc nhìn ngời nghiên cứu lĩnh vực nguồn điện, có theo dõi phát triển lĩnh vực nớc xu giới, mạnh dạn đề xuất vài định hớng cụ thể sau đây: Về pin kiềm Zn/MnO2: Một mặt tiếp tục tăng sản lợng pin muối Zn/MnO2, mặt khác nên nghiên cứu nhập công nghệ pin kiềm Zn./MnO2 nạp lại đợc ( 200CK) để đa dạng hóa sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhng phù hợp với mức sèng thu nhËp thÊp ë n−íc ta vµ xt khÈu sang nớc lân cận Về ăcquy axit Pb: cần xem xét việc gắn kết với công nghiệp lắp ráp ôtô chất lợng cao mục tiêu lâu dài bền vững, cụ thể: + Cần đổi thiết kế mẫu mà để phù hợp với hệ thống điện 36 ữ 42V; ữ 9kV ôtô chất lợng cao + Nhập công nghệ ăcquy VRLA để đón đầu cho hệ ôtô lai điện HEV sau 2010, nh xe máy chạy điện (Scoota) xe đạp điện phát triển mạnh Về nguồn điện mới: nên lấy mốc 2006 - 2007 để nhập công nghệ ăcquy ion Li ăcquy Ni-MH sau đó, để phục vụ thị trờng ĐTDĐ điện tử cao cấp Công suất 20 triệu battery/năm Hình thức liên doanh OEM (Orginal Equipmart Mamefacturing đại ý sản xuất giữ nguyên thiết kế gốc hÃng), đối tác Nhật Bản (Sanyo, MC, JBC ) để dựa vào thơng hiệu sớm có sản phẩm đa thị trờng Bộ Công nghiệp VINACHEM cần có "Chơng trình nghiên cứu tiền khả thi nguồn điện mới" để tập hợp lực lợng nghiên cứu Trờng, Viện Nhà sản xuất cho mục tiêu Chơng trình nghiên cứu cần đợc Bộ Công nghiệp đa vào danh sách nội dung trọng điểm ngân sách đổi công nghệ vật liệu 2006 (dự kiến 4695 tỷ VNĐ) tài trợ Chơng trình nghiên cứu tiền khả thi nguồn điện phần thiếu đợc lộ trình thực dự báo chiến lợc trớc định nhập công nghệ Hà Nội, tháng 5/2006 PGS.TS Ngô Quốc Quyền 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tài liệu tham khảo [1] What are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? M.Winter, R.J.Brodd - Chem.Rev 104 (2004) p.4245-4269 [2] Rechargeable Batteries with aqueous electrolytes F.Beck, P.Ruetschi - Electrochemica Acta 45(2000) 2467-2482 [3] Liti Batteries and Cathode Materials M.St.Whittingham - Chem.Rev 10492004) p.4271 - 4301 [4]Recent advandes in Liti ion battery materials B.Scrosati - Electrochemica Acta 45(2000) 2461 - 2466 [5] Recent developments in battery technology: a Chemistry & Industry - Sept (1996); May(1999) b The Electrochem Soc Interface - winter (1995) p.26; p.34; p.42-45 c The Electrochem Soc Interface - Fall (1997) p.26 - 32 d The Electrochem Soc Interface - Fall (1999) p.20 - 23 e Review of J.Electrochem Soc 137 (1990) - 18 f Review of J.Electrochem Soc 142 (1995) 1726 - 1731 g Chem Review - 95 (1995) p.191 - 207 [6] Fuel Cell Technology: a J.Electrochem Soc 149 (2002) N7, S59 - S67 b The Electrochem Soc Interface - Fall (1997) p.26 - 32 c Chem Review - 95 (1995) p.191 - 207 d Chem Review - 104 (2004) p.4767 - 4790 e Electrochemica Acta - 45(2000) p.2423 - 2435 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com [7] Advanced Batteries for electric vehicles: a Chemtech - Nov (1994) p.32 - 38 b The Electrochem Soc Interfacc - Spring (1996) p.32 - 37 c J.Electrochem Soc 149 (2002) K1 - K29 d J.Electrochem Soc 150 (2002) K15 - K38 [8] Tích trữ chuyển hóa lợng hóa học - Vật liệu Công nghệ Ngô Quốc Quyền - Bộ sách chuyên khảo, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam xuất bản, Hà Nội - 2006 [9] Tổng luận: Nguồn điện hóa - Thành tựu triĨn väng Ng« Qc Qun - ViƯn Hãa häc, Trung tâm KHTN CNQG - VN Trung tâm Thông tin KHKT Hóa chất xuất bản, Hà Nội - 1995 [10] Công nghiệp Hóa chất - số (2004) Chuyên san Kỷ niệm 35 năm thành lập Ngành Hóa chất Việt Nam (19/8/1969 19/8/2004) 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục I Mở đầu II Giới thiệu chung Phân loại hệ thống - Khái niệm định nghĩa Các đại lợng đặc trng cho khả tích trữ lợng nguồn điện hóa học Đặc điểm nguồn điện hóa học sở phát triển khoa học vật liệu đổi công nghệ Những tiêu chí chất lợng yếu tố định III Battery điện ly nớc không nớc Phân loại Battery sơ cấp - PIN 2.1 Pin kiềm Zn/MnO2 khả nạp lại đợc 2.2 Pin Liti Battery thứ cấp - ¨cquy 3.1 ¡cquy axit Pb/PbO2 3.2 ¡cquy Ni-MH 3.3 Battery thứ cấp Liti IV Pin nhiên liệu ăcquy nhiệt độ cao Đại cơng Phân loại pin nhiên liƯu 2.1 Pin nhiªn liƯu kiỊm AFC (Alkaline Fuel Cells) 2.2 Pin nhiên liệu màng điện ly polyme PEMFC (Polyme Electrolyte Membrane Fuel Cells, đồng nghĩa Proton Exchange Membrane Fuel Cells) 2.3 Pin nhiªn liƯu axit photphoric PAFC (Phosphoric acid Fuel Cells) 2.4 Pin nhiªn liƯu mi cacbonat nãng chảy MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) 2.5 Pin nhiên liệu oxit r¾n SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) ¡cquy natri/l−u huỳnh (Na/S) 3.1 Mô hình làm việc ăcquy Na/S 3.2 Chất điện ly rắn -Alumina 3.3 Cấu tạo thực tế ăcquy Na/S Trang 4 11 13 13 18 18 22 29 29 34 40 44 44 46 47 47 49 49 50 52 52 53 54 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ăcquy kim loại kiềm nhiệt độ cao khác V Siêu tụ điện VI Xu phát triển lĩnh vực nguồn điện hóa học giới Xu phát triển 1.1 Thị trờng thiết bị điện tử 1.2 Thị trờng ăcquy SLi (khởi động chiếu sáng) chất lợng cao 1.3 Về lĩnh vực xe chạy điện ăcquy (HEV, EV) 1.4 Ăcquy cố định để tích trữ lợng mặt trời Dự báo mục tiêu lộ trình phát triển VII Một vài đánh giá ý kiến đóng góp thay cho kết luận Vài nét sản xuất pin ăcquy Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam (VINACHEM) 1.1 Tình hình sản xuất pin ăcquy (2003 - 2005) 1.2 Hiện trạng công nghệ bất cập Một vài ý kiến đóng góp thay cho kết luận Tài liƯu tham kh¶o 56 56 58 58 58 59 59 61 61 62 62 62 63 64 65 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... thay ăcquy ion Li Ngời ta ý đến pin nhiên liệu "bỏ túi" chạy rợu metanol trực tiếp, đợc gọi pin DMFC? Nhờ thành tựu phát triển khoa học vật liệu, đặc biệt công nghệ nano, nhiều vấn đề lớn nh ăcquy... năm sau vào thời điểm nay, ăcquy ion Li đà hoàn toàn đáp ứng bÃo hòa thị trờng ĐTDD (có tốc độ tăng trởng ~ 20%/ năm) Sự phát triển công nghiệp điện tử không dây luôn động lực phát triển công nghiệp... 3,2 HÖ pin Li/SO2Cl2 Li/V2O5 Li/Ag2V4O11 Battery thø cấp - ăcquy [1] [3] 3.1 Ăcquy axit Pb/PbO2 [2], [5f], [8] Ăcquy axit nguồn điện hóa học có lịch sử phát triển lâu đời (do G.Planté phát minh