MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Ô TÔ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH NẠP PIN LITHUM - ION

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÔN HỌC: HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Ô TÔ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NẠP PIN LITHUM - IONLớp: Thứ 4 tiết 1 – 2 - 3

GVHD: TS LÊ THANH PHÚC

Lê Quang Hin 22145370Nguyễn Bá Trọng 22145495

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2024

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN BÁO CÁO

HỌC KỲ II NĂM HỌC 2023-2024

thành (%)

222145370Lê Quang Hin 100%

322145495Nguyễn Bá Trọng 100%

422145314Phùng Quý Bình100%522145510Đặng Tấn Tú100% Ghi chú: - Tỷ lệ % = 100%: Mức độ phần trăm của từng sinh viên tham gia. - Trưởng nhóm: Nguyễn Thái Bảo SĐT: 09722145310 Nhận xét của giáo viên

TS Lê Thanh Phúc

Mục Lục

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Pin Lithium – Ion 5

2.1.1 Pin Lithium – Ion là gì? 5

Pin Li-ion hay pin lithi-ion / pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một

loại pin sạc Trong quá trình sạc, các ion Lithi chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion lithi sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng

cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực dương là graphite Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion lithi chuyển dịch từ cực này sang cực khác, nghĩa là có khả năng dẫn ion lithi Tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.

pin Li-ion đã được công ty SONY (Nhật Bản) thương mại hoá và phát triển từ đầu những năm 90 Nó đã trở thành công nghệ pin phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động và điện tử tiêu dùng.

Trước năm 1999, đã có hơn 400 triệu pin Li-ion thương phẩm được sản xuất và tiêu thụ trên thị trường Trong năm 2000, lợi nhuận thu được từ pin Li-ion đạt khoảng 1,86 tỷ USD Đến năm 2005, đã có hơn 1,1 tỷ pin Li-ion được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD Trong khoảng thời gian từ 1999 đến 2005, giá thành của pin Li-ion đã giảm xuống chỉ còn 46%.

Trong tương lai, dự kiến các sản phẩm sử dụng pin Li-ion sẽ tiếp tục được quan tâm bởi thị trường Sự quan tâm này sẽ tập trung vào những sản phẩm có giá cả hiệu dụng, tính năng cao và công nghệ an toàn Điều này phản ánh xu hướng ngày càng tăng của thị trường đòi hỏi những sản phẩm pin có hiệu suất tốt, tuổi thọ cao và an toàn để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của người tiêu dùng.

Pin Li-ion hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và thiết bị điện tử Các ứng dụng phổ biến bao gồm pin điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, thiết bị định vị GPS, máy ảnh kỹ thuật số, máy nghe nhạc, đèn pin, và nhiều thiết bị di động khác pin Li-ion cũng được sử dụng trong các lĩnh vực như mạng điện tử quân đội, radio, máy dò mìn và các thiết bị quân sự khác Công nghệ pin Li-ion cũng đang được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng trong các lĩnh vực như khinh khí cầu, tàu không gian và vệ tinh, nhằm cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị trong không gian hoặc điều kiện đặc biệt.

Ưu điểm và nhược điểm của pin li-ion :

2.1.2 Phân loại

Pin Li-ion được chế tạo theo các dạng khác nhau, thường có 2 nhóm là : dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ

2.1.2.1 Pin Lithium – Ion dạng trụ

Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau:

2.1.2 Pin Lithium – ion lăng trụ phằng

Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên bản trụ, chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm trụ

2.1.3 Cấu tạo

Pin Lithium có cấu tạo gồm 3 thànhphần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác

Điện cực dương ( cathode )

Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4 Vật liệu trên cơ sở là cobalt mở rộng cấu trúc pseudo-tetrahedral (tứ diện giả), cho phép khuếch tán ion lithium theo 2 chiều Đây là những vật liệu lí tưởng do nhiệt dung riêng cao, dung tích lớn, khả năng tự xả thấp, có điện thế xả cao và hiệu suất chu trình tốt Hạn chế của nó là giá cao do chứa cobalt là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt Vật liệu cơ sở là mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion lithi khuếch tán theo cả ba chiều Vật liệu này đang được quan tâm bởi mangan rẻ và phổ biến hơn cobalt, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin Vật liệu cực dương chứa cobalt là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành, và tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất

cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc.

Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu sau:

Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium.

Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+ Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn.

Dẫn điện tốt.

Không tan trong dung dịch điện li Giá thành rẻ.

Điện cực âm (anode)

Vật liệu điện cực âm thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion lithi xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10% Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion lithi, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi "chứa" ion lithi, silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin

Silicon có thể dùng làm điện cực âm tuy nhiên phản ứng của nó với Li có thể gây nứt gãy vật liệu Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha solid electrolyte interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành Lớp SEI này có thể dày lên ngăn chặn quá trình khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cực cũng như công suất pin và giảm độ bền của âm cực Nhiều

nỗ lực được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano

Chất điện li

Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion lithi giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin Chính vì thế, nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Li-ion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion lithi ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion lithi di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra dòng điện ở mạch ngoài nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với ion lithi), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối lithi, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat

Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực Lớp giao pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp giao diện bền

Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE

(poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền Nó có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường khác.

Để hạn chế sự rò rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung môi này gặp không khí, dung môi gel, polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.

Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin li-ion dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quá trình lắp ráp, tăng tín an toàn cho pin.

Dung môi:

Dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng được dùng thay thế cho chất điện phân khô Tiêu điểm hiện nay của ngành công nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt và có tính tương thích với các vật liệu làm điện cực Các dung môi carbonate nguyên chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10-7S/cm, hằng số điện môi lớn hơn 3, và dung hợp các muối Lithium cao Một số dung môi hữu cơ được dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene carbonate(PC), dimethyl carbonate(DMC), ethyl methyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC), dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF),

γ - Butyrolactone( γ BL).

Vật cách điện:

Trong các pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10μm ÷ 30μm) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay, các loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được Các vật liệu Nonwoven cũng được nghiên cứu, song không những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các màng có độ dày đồng đều, độ bền cao Nhìn chung, các vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

Có độ bền cơ học cao.

Không bị thay đổi kích thước.

Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1 μm.

Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân.

Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực.

Dung môi:

Dung môi được ứng dụng rộng rãi, bao gồm các loại hợp chất như carbonate, ete, và acetate, được dùng để thay thế cho các chất điện phân rắn Trong ngành công nghiệp hiện nay, hợp chất carbonate đang được chú ý do độ bền vững cao, an toàn tốt và khả năng tương thích với vật liệu làm điện cực Các dung môi carbonate thuần khiết có đặc điểm là độ dẫn điện dưới 10-7S/cm, có hằng số điện môi lớn hơn 3, và có khả năng hòa tan các muối Lithium hiệu quả Một số dung môi hữu cơ thường được sử dụng gồm có ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), dimethylether (DME), acetonitrile (AN), tetrahydrofuran (THF), và γ-butyrolactone (γ-BL).

Vật cách điện:

Trong pin Li-ion, người ta thường sử dụng các màng xốp mỏng từ 10μm đếnm đến 30μm đếnm để tách biệt điện cực âm và điện cực dương Các loại pin thương mại hiện nay thường dùng chất điện li dạng lỏng kết hợp với màng xốp làm từ poliolefin, bởi vật liệu này có đặc tính cơ học xuất sắc, độ bền hóa học cao và giá thành phải chăng Các vật liệu Nonwoven cũng được khám phá nhưng ít được áp dụng rộng rãi do khó khăn trong việc sản xuất màng có độ dày đồng đều và độ bền cao Tóm lại, các vật liệu cách điện trong pin Lithium ion cần đáp ứng một số tiêu chuẩn nhất định :

- Phải có độ bền cơ học cao - Không bị biến dạng kích thước.

- Không bị thủng khi tiếp xúc với các vật liệu làm điện cực - Có kích thước lỗ xốp nhỏ hơn 1 μm đếnm.

- Dễ dàng thấm ướt bởi chất điện phân.

- Tính tương thích và độ ổn định cao khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực.

2.1.4 Công dụng

Pin Lithium được ứng dụng để cấp năng lượng cho nhiều thiết bị đang gia tăng như nhiệt kế, khóa xe điều khiển từ xa, con trỏ laser, máy nghe nhạc MP3, máy trợ thính, máy tính và hệ thống dự phòng pin cho máy tính Đồ chơi điều khiển từ xa cũng dùng pin Lithium, và thường pin này vượt trội so với đồ chơi.

Pin Lithium-Ion (Li-Ion) cung cấp năng lượng cho cuộc sống hằng ngày của hàng triệu người Từ máy tính xách tay và điện thoại di động đến xe hybrid và xe điện, loại pin này ngày càng được ưa chuộng do trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng cao và khả năng sạc lại.

Pin Lithium có thể thay thế cho các pin kiềm truyền thống trong nhiều thiết bị như đồng hồ và máy ảnh Dù có giá cao hơn, pin Lithium cung cấp tuổi thọ dài hơn, từ đó giảm thiểu nhu cầu thay thế pin.

Trong ngành ô tô điện, pin Lithium-ion đang được sử dụng rộng rãi VinFast, nhà sản xuất ô tô Việt Nam, đã áp dụng pin lithium ion cho xe điện, đặc biệt là mẫu VF e34, với khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt và chịu nước theo tiêu chuẩn IP67 VinFast cũng đã ký kết hợp tác với ProLogium để sử dụng công nghệ pin thể rắn của họ, giúp xe điện của VinFast di chuyển xa hơn, cần ít thời gian sạc hơn và có khả năng sạc nhiều lần hơn.

Một ưu điểm lớn của lithium so với pin axit-chì là không bị suy giảm chu kỳ, một vấn đề lớn với pin axit-chì có thể gây ra sự xuống cấp nghiêm trọng nếu xả

và sạc liên tục Pin LiFePO4 không yêu cầu sạc đầy thường xuyên, điều này có thể cải thiện tuổi thọ tổng thể của pin.

Hiệu suất chuyến đi khứ hồi (từ đầy đến cạn kiệt và trở lại đầy) của pin axit chì trung bình khoảng 80% Các loại hóa chất khác có thể có hiệu suất thấp hơn.Hiệu suất năng lượng của chuyến đi khứ hồi của pin Lithium Iron Phosphate lên tới 95-98% Chỉ riêng điều này là một cải tiến đáng kể cho các hệ thống bị thiếu năng lượng mặt trời trong mùa đông, việc tiết kiệm nhiên liệu từ sạc máy phát điện có thể rất lớn.

Giai đoạn sạc điện của pin chì-axit đặc biệt không hiệu quả, dẫn đến hiệu quả là 50% hoặc thậm chí ít hơn.

Xem xét pin lithium không hấp thụ sạc, thời gian sạc từ xả hoàn toàn đến đầy hoàn toàn có thể chỉ là hai giờ Nó ‘ Cũng cần lưu ý rằng pin lithium có thể được xả gần như hoàn toàn theo đánh giá mà không có tác dụng phụ đáng kể Tuy nhiên, điều quan trọng là đảm bảo các tế bào riêng lẻ không xả quá nhiều Đây là công việc của Hệ thống quản lý pin tích hợp (BMS).

Một tế bào LiFePO4 sẽ bị hỏng vĩnh viễn nếu điện áp của tế bào giảm xuống dưới 2,5V, nó cũng sẽ bị hỏng vĩnh viễn nếu điện áp của tế bào tăng lên hơn 4.2V BMS giám sát từng tế bào và sẽ ngăn ngừa thiệt hại cho các tế bào trong trường hợp dưới / quá điện áp.

2.1.5 Nguyên lý hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặc bằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin Li-ion, các cực này được đặt cách điện để đảm bảo an toàn và tránh bị tiếp xúc dẫn đến hiện tượng đoản mạch

Quy trình xả:

Trong quá trình phóng điện, ion Li+ được giải phóng từ cực âm và chèn vào các khoảng trống giữa các lớp oxi của vật liệu tại cực dương Các ion lithium mang điện tích dương này di chuyển từ cực âm (thường được làm từ graphite) qua dung dịch điện ly đến cực dương, nơi chúng phản ứng với vật liệu cực Khi mỗi ion lithium di chuyển từ cực âm đến cực dương, một electron tương ứng sẽ di chuyển trong mạch ngoài từ cực âm đến cực dương, tạo ra dòng điện đi ngược lại từ cực dương về cực âm Quá trình này duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực.

Quy trình sạc:

Trong quá trình sạc, vật liệu ở cực dương hoạt động như một chất oxy hóa và vật liệu ở cực âm hoạt động như một chất khử Tại cực dương, các ion Li+ được giải