Báo cáo bài tập 4 nhóm 8 hp phương pháp nghiên cứu và viết báo cáo khoa học

Khái niệm Pin axit chì, hay còn được gọi là ắc quy axit chì, là một loại pin sử dụng công nghệ axit chì để lưu trữ và cung cấp năng lượng điện.. Được phát minh từ lâu và vẫn được sử dụng

ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA QUẢN LÝ CÔNG NGHIỆP



BÁO CÁO BÀI TẬP 4 NHÓM 8 HP: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ

VIẾT BÁO CÁO KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

PGS.TS Trần Nguyên Phương Lan Nguyễn Xuân Tiên B2003533

Phạm Mỹ Tiên B2109788 Phạm Trần Thái Thịnh B2101906 Huỳnh Trần Vĩnh Thái B2108999 Hàng Mạnh Tiến B2109003

BẢNG ĐÓNG GÓP LÀM BÁO CÁO

1 Nguyễn Xuân Tiên (L) B2003533 100%

2 Phạm Mỹ Tiên B2109788 100%

3 Phạm Trần Thái Thịnh B2101906 100%

4 Huỳnh Trần Vĩnh Thái B2108999 100%

5 Hàng Mạnh Tiến B2109003 100%

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Khái niệm

Pin axit chì, hay còn được gọi là ắc quy axit chì, là một loại pin sử dụng công nghệ axit chì để lưu trữ và cung cấp năng lượng điện Được phát minh từ lâu và vẫn được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử, xe máy, ô tô, hệ thống năng lượng dự phòng và nhiều ứng dụng khác, pin axit chì là một trong những công nghệ pin phổ biến nhất trên thị trường

Pin axit chì bao gồm hai điện cực: một điện cực âm là bản chì và một điện cực dương là bản chì oxit Bên trong pin, có một dung dịch axit sulfuric hoạt động như chất dẫn điện và giúp tạo ra dòng điện khi pin hoạt động Quá trình tạo

ra điện năng diễn ra thông qua các phản ứng hoá học giữa axit sulfuric và các chất hoạt động trên các điện cực

Một ưu điểm của pin axit chì là giá thành thấp và khả năng cung cấp điện năng ổn định trong thời gian dài Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là có trọng lượng lớn, tuổi thọ không cao và yêu cầu bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất tốt

1.2 Cấu tạo

Pin axit chì (hay còn được gọi là pin chì-acid hoặc pin chì-axit) có cấu tạo

cơ bản gồm các thành phần chính sau:

 Ống ăn mòn (Container): Đây là thành phần ngoài cùng của pin, thường được làm bằng nhựa chịu axit hoặc kim loại chống ăn mòn như thép Ống ăn mòn giữ chặt các thành phần bên trong và ngăn chặn sự rò rỉ của dung dịch axit

 Tấm âm điện (Negative plate): Tấm âm điện trong pin axit chì được làm bằng chì (Pb) Thường có dạng tấm tạo ra các ổ cắm nhỏ để giữ axit sulfuric

 Tấm dương điện (Positive plate): Tấm dương điện được làm bằng chì ôxít (PbO2) Tấm này tạo điện áp và phản ứng hóa học trong quá trình sạc và xả pin

 Giấy bạc (Separator): Giấy bạc được đặt giữa các tấm âm và dương điện trong pin axit chì Chức năng của giấy bạc là ngăn cách các tấm, ngăn chặn

sự tiếp xúc trực tiếp và ngăn chặn ngắn mạch trong pin

 Dung dịch axit sulfuric (Sulfuric acid solution): Dung dịch axit sulfuric nằm trong ống ăn mòn và là chất mang điện trong quá trình hoạt động của pin Axit sulfuric tác động với tấm âm và dương điện, tạo ra phản ứng hóa học để tạo ra dòng điện

 Cái nắp (Vent): Một số loại pin axit chì có nắp vặn có thể mở để kiểm tra mức axit hoặc thay thế dung dịch axit sulfuric Nắp cũng có chức năng cho phép thoát khí nếu áp suất bên trong pin tăng cao

1.3 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động của pin axit chì dựa trên các quá trình oxi-hóa và khử xảy ra tại hai điện cực chính của pin, điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode), trong dung dịch elektrolyt

Khi pin được kết nối vào một mạch điện, quá trình oxi-hóa diễn ra tại điện cực dương và quá trình khử xảy ra tại điện cực âm Cụ thể:

 Quá trình Oxi-hóa tại Điện Cực Dương (Anode):

Tại điện cực dương, chì oxit (PbO2) được oxi-hóa để tạo ra ion chì dương (Pb2+) và electron

Phản ứng hóa học: PbO2 + H2SO4 + -> PbSO4 + 2H2O +

2e-Trong đó, PbO2 chuyển thành PbSO4 và nước (H2O) được tạo ra trong quá trình này

 Quá trình Khử tại Điện Cực Âm (Cathode):

Tại điện cực âm, chì sạch (Pb) nhận electron để tạo ra ion chì âm (Pb-) và nước

Phản ứng hóa học: Pb + SO4(2-) -> PbSO4 +

2e-Trong đó, PbSO4 được tạo ra từ ion chì âm và ion sulfate (SO4(2-)) có trong dung dịch elektrolyt

 Dòng Điện và Dòng Ion:

Các electron được tạo ra từ quá trình oxi-hóa tại điện cực dương chuyển qua mạch điện ngoài để cung cấp năng lượng

Ion chì dương (Pb2+) và ion sulfate (SO4(2-)) được tạo ra từ quá trình oxi-hóa và khử di chuyển trong dung dịch elektrolyt từ điện cực dương đến điện cực âm

 Tạo Dòng Điện Liên Tục:

Quá trình oxi-hóa và khử xảy ra liên tục, tạo ra một dòng điện liên tục trong mạch điện ngoài

Điện tích được chuyển đổi thành năng lượng điện khi dòng điện chạy qua mạch, cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị hoạt động bên ngoài

Tóm lại, nguyên lý hoạt động của pin axit chì dựa trên các quá trình oxi-hóa

và khử xảy ra tại hai điện cực chính của pin, tạo ra dòng điện liên tục để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử và ứng dụng khác

1.4 Quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất pin: quy trình sản xuất pin bao gồm các bước từ nguyên liệu đầu vào, quá trình chế biến và lắp ráp cho đến sản phẩm cuối cùng Để sản xuất pin axit-chì, nguyên liệu đầu vào chủ yếu là axit sulfuric, chì và các chất hóa học khác để tạo thành cực âm và cực dương của pin Quy trình sản xuất pin axit chì bao gồm các bước chính sau:

- Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu chính để sản xuất pin axit chì là chì và axit sunfuric Chì được cô lập từ khai thác khoáng sản và được tinh chế thành dạng nguyên chất Axit sulfuric cũng được sử dụng để tạo ra dung dịch elektrolyt cho pin

- Tiền xử lý chì: Chì được đưa qua quá trình tiền xử lý để loại bỏ tạp chất và tinh chế Quá trình này bao gồm nung chảy chì tinh chế và kiểm tra chất lượng của chì

- Sản xuất điện cực: Chì được chế biến thành điện cực cho pin Chì được đúc thành hình trụ hoặc phôi và sau đó được mạ một lớp oxit chì để tăng khả năng dẫn điện

- Lắp ráp: Các bộ phận của pin bao gồm điện cực âm, điện cực dương và dung dịch elektrolyt được lắp ráp cẩn thận để tạo thành pin hoàn chỉnh

- Kiểm tra chất lượng: Pin axit chì sau khi sản xuất sẽ được kiểm tra chất lượng bằng cách thử nghiệm và kiểm tra hiệu suất cũng như tuổi thọ của pin

- Đóng gói và xuất xưởng: Sau khi pin đã qua kiểm tra chất lượng, chúng sẽ được đóng gói và chuẩn bị cho việc xuất khẩu hoặc tiêu thụ trên thị trường Quy trình sản xuất pin axit chì đòi hỏi sự chính xác và kỹ thuật cao để đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản phẩm cuối cùng.- Công nghệ sản xuất pin axit-chì: công nghệ sản xuất pin axit-chì được phát triển và cải tiến liên tục để tăng hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm Các phương pháp sản xuất bao gồm phương pháp dẫn điện, phương pháp hấp thụ và phương pháp hóa học

1.5 Ưu – nhược điểm

 Giá thành thấp: Pin axit chì có giá thành thấp hơn so với nhiều công nghệ pin khác, là một lợi thế đáng kể đối với nhiều người tiêu dùng

 Khả năng cung cấp công suất lớn: Pin axit chì có khả năng cung cấp công suất cao, đặc biệt trong khoảng thời gian ngắn Điều này làm cho pin axit chì phù hợp với các thiết bị yêu cầu năng lượng lớn như ô tô, xe máy và hệ thống dự phòng

 Hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp: Pin axit-chì thường hoạt động tốt ở nhiệt

độ thấp hơn so với một số loại pin khác, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời và trong môi trường lạnh

 Dễ sử dụng và bảo dưỡng: Pin axit chì không đòi hỏi quy trình sạc phức tạp và dễ dàng bảo dưỡng Việc kiểm tra và thay thế dung dịch axit sulfuric cũng khá đơn giản

- Nhược điểm:

 Trọng lượng lớn: Pin axit chì có trọng lượng nặng so với nhiều công nghệ pin khác Điều này tạo ra hạn chế trong việc di chuyển và lắp đặt, đặc biệt đối với các thiết bị di động như điện thoại di động

 Tuổi thọ hạn chế: Pin axit chì có tuổi thọ không cao so với các công nghệ pin tiên tiến khác như pin lithium-ion Điều này yêu cầu việc thay thế pin thường xuyên và làm tăng chi phí dài hạn

 Yêu cầu bảo dưỡng định kỳ: Pin axit chì cần được bảo dưỡng định kỳ

để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu Việc kiểm tra dung dịch axit, kiểm tra

và thay thế các thành phần bị hỏng là cần thiết

2 Sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Trong nước

Đã có nhiều nghiên cứu về quy trình sản xuất pin aicd chì và ứng dụng

trong xe ô tô Tác giả Nguyễn Hùng Mạnh đã đưa ra nghiên cứu “Phân tích và

so sánh các loại pin sử dụng cho ô tô điện” Nghiên cứu đã chứng minh rằng

Tuỳ thuộc vào chức năng, đặc điểm cũng như yêu cầu với các loại ô tô điện khác nhau mà các nhà sản xuất sử dụng loại pin phù hợp Loại Pin Axít-Chì thông thường được sử dụng là nguồn năng lượng thứ yếu điện áp thấp (12V), cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống điện thân xenhư ô tô dùng động cơ đốt trong thông thường [1]

Trước đó vào năm 2015 Đoàn Anh Tuấn và Nguyễn Dương Tuấn đã đưa

ra nghiên cứu “Giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển trong

quy trình phục hồi ắc quy axit chì” Nghiên cứu đã chỉ ra việc ứng dụng hệ

thống quản lý giám sát quá trình phục hồi ắc quy đã góp phần lớn trong việc cải thiện hiệu suất công việc và giảm thời gian lao động [2]

Năm 2023 Nguyễn Phi Cường Anh và các cộng sự đã đưa ra nghiên cứu

“Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình làm việc của pin xe điện panasonic ncr-18650b” Với công cụ mô phỏng Matlab Simulink, nhóm nghiên

cứu đã xem xét các ảnh hưởng liên quan tới quá trình sạc/xả pin xe điện như điện áp, dòng điện, chỉ số trạng thái sạc (SOC - State of charge) ở các mức nhiệt

độ khác nhau 0ºC, 25ºC, 50ºC Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc tối ưu hoá quá trình sử dụng pin, từ đó giảm thiểu tác động của pin tới môi trường, góp phần phát triển cho ngành công nghiệp xe ô tô điện hiện nay [3]

Vào năm 2021 Phạm Văn Sang và các đồng dội đã đưa ra nghiên cứu

“Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian phóng điệncủa ắc quy ô tô điện”

nghiên cứu tới sự ảnh hưởng của nhiệt độđến thời gian phóng điện của ắc quy chì axit trên ô tô điện Mô hình một ngăn ắc quy được cấu thành từ2 nhánh Nhánh chính mô tả cho hoạt động chính của ắc quy, nhánh kí sinh mô tảphản ứng của ắc quy tại thời điểm điện thếắc quy cao Mô hình mô phỏng sẽđánh giá quan hệ giữa nhiệt độ, dòng điện phóng, dung lượng ắc quy, điện áp Kết quả

mô phỏng cho thấy mối quan hệcủa nhiệt độvà dòng điện phóng với thời gian phóng điện, chỉra rằng khoảng nhiệt độ mà thời gian phóng của ắc quy đạt giá trị cao nhất là trong khoảng 40-50 C [4].⁰C [4]

2.2 Ngoài nước

Vào năm 2009 A.J Li và các cộng sự đã đưa ra nghiên cứu “The lead and

lead-acid battery industries during 2002 and 2007 in China” nghiên cứu đã

chứng minh rằng các doanh nghiệp sản xuất pin axit chì không hề giảm do công nghệ và thiết bị sản xuất của họ tương đương với các nước công nghiệp tiên tiến khác Ở Trung Quốc, sự phát triển mạnh mẽ của xe đạp điện, xe ba bánh điện và

hệ thống năng lượng quang điện sẽ mang lại cơ hội liên tục cho ngành công nghiệp pin axit chì [5]

Gần đây nhất Aicha Degla cùng các cộng sự đa đưa ra nghiên cứu

“Experimental Investigation of a Lead-Acid Battery Regeneration Technique for Improved Energy Efficiency” cụ thể vào năm 2023 họ đã tiến

hành các thử nghiệm kỹ thuật tái tạo pin acid chì qua đó nghiên cứu nhấn mạnh tiềm năng tái tạo xung điện như một phương pháp hiệu quả để kéo dài tuổi thọ và tối ưu hóa hiệu suất của pin acid chì [6]

Bên cạnh đó, Arunachala Nadar M Kannan và các đồng đội đã đứa ra nghiên

cứu “Failure analysis of lead-acid batteries at extreme operating

temperatures” cụ thể vào tháng 2 năm 2023 nhóm nghiên cứu đã sử dụng

phương pháp EIS để đánh giá điện trở trong (ohmic và truyền điện tích) nhằm giải thích cơ chế phân hủy của pin, qua đó nghiên cứu chứng minh rằng nhiệt độ hoạt động đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán SOH của pin SLA [7] Trước đó vào năm 2022 Anindita Roy và các đồng đội đã đưa ra nghiên cứu

“The effect of fast charging and equalization on the reliability and cycle life

of the lead acid batteries” cụ thể vào tháng 10 năm 2022 đã đề xuất một quy

trình sạc nhanh mới cùng với việc cân bằng định kỳ Bộ sạc nhanh dòng điện không đổi nhiều tầng có xung khử cực được sử dụng để sạc bộ pin xe kéo điện 48

V trong 3 giờ 37 phút từ trạng thái sạc 20% đến 80% Tuổi thọ dự kiến của pin được sạc nhanh và sạc cân bằng như vậy được dự đoán là 1296 chu kỳ, gấp khoảng 2 lần tuổi thọ hiện tại của pin Do đó, bộ sạc nhanh được đề xuất cùng với việc cân bằng định kỳ là một lựa chọn đầy hứa hẹn và bền vững để sạc pin acid chì [8]

Vào năm 2003, Paul Ruetschi một nhà nghiên cứu người Thủy Sĩ đã đưa ra

nghiên cứu về “Aging mechanisms and service life of lead–acid batteries” cụ

thể nghiên cứu đã chứng minh rằng nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình lão hóa Tốc độ ăn mòn lưới điện và tốc độ mất nước do bay hơi của pin acid chì [9]

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1 Nguyen Hung Manh “Phân tích và so sánh các loại pin sử dụng cho ô tô điện” Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM, vol

59, số p.h 3, Tháng Sáu 2023, tr 112-117, https://doi.org/10.7001/huih804.2023.119

[2] Doan Anh Tuan*; Nguyen Duong Tuan “Giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát Và điều khiển Trong Quy trình phục hồi Ắc Quy Axit Chì” Tạp Chí Khoa học Và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, vol 7, số p.h 92, Tháng Bảy 2015, tr 51-55,

https://jst-ud.vn/jst-ud/article/view/2693

[3] Nguyễn Phi Cường Anh, and Lương Ngọc Minh Lê Đức Hiếu "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình làm việc của pin xe điện panasonic NCR-18650B." Vinh University Journal of Science (2023)

[4] PHẠM VĂN, S., ĐÀM HOÀNG, P., TRẦN MINH, C., LÊ VĂN, T., &

ĐỖ ĐÌNH QUANG, A (2022) ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN THỜI GIAN PHÓNG ĐIỆN CỦA ẮC QUY Ô TÔ ĐIỆN Tạp Chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, 10(10), 377–382

https://jmst.vimaru.edu.vn/index.php/tckhcnhh/article/view/216

[5] H.Y Chen, A.J Li, D.E Finlow, The lead and lead-acid battery industries during 2002 and 2007 in China, Journal of Power Sources, Volume 191, Issue 1, 2009, Pages 22-27, ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.12.140

[6] Degla, Aicha & Aoudjit, Mounir & Guemraoui, Kamel & Guemraoui, Adel (2023) Experimental Investigation of a Lead-Acid Battery Regeneration Technique for Improved Energy Efficiency Journal of The Electrochemical Society 170 10.1149/1945-7111/ad129c

[7] Prasad, Umesh & Prakash, Jyoti & Kannan, A & Kamavaram, Venkat & Arumugam, Ganesh (2023) Failure analysis of lead-acid batteries at extreme operating temperatures Battery Energy 2 10.1002/bte2.20230008

[8] Roy, Anindita & Patil, Rajkumar & Sen, Rajarshi (2022) The effect of fast charging and equalization on the reliability and cycle life of the lead acid batteries The Journal of Energy Storage 55 105841 10.1016/j.est.2022.105841

[9] Paul Ruetschi, Aging mechanisms and service life of lead–acid batteries, Journal of Power Sources, Volume 127, Issues 1–2, 2004, Pages 33-44, ISSN

0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.09.052