Bài tập giữa kì số 1 Đề tài cuộc khảo sát về tấm pin năng lượng mặt trời

Pin Dựa trên đánh giá tài liệu trên, rõ ràng là việc sử dụng các hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên điện hóa và đặc biệt là việc triển khai pin là nhiều hơn thường xuyên và rộng hơn s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG

THANH PHO HO CHI MINH

BAI TAP GIUA Ki SO 1

Dé Tai: CUOC KHAO SAT VE TAM PIN NANG

LUOQNG MAT TRO!

Giáo Viên Hướng Dẫn: Bùi Minh Dương Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 17 Bùi Huy Phát — 2002217193 Phan Gia Huy - 2002211906 Phạm Liễu Thanh - 2002210223 Nguyễn Ngô Minh Thuận - 2002210092

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 3 năm 2024

BẢNG ĐÁNH GIÁ THÀNH VIÊN NHÓM

Họ và Tên Nhiệm vụ Phan trăm hoàn thành

Dịch và tìm hiệu mục 5,

làm Word, làm sơ đồ

Dịch và tìm hiệu mục 4.3-

Phan Gia Huy 100%

4.4

- Dịch và tìm hiệu mục 4.1 Phạm Liêu Thanh 42 100%

- Dich va tim hiều mục 4.5,

Nguyên Ngô Minh Thuận - Q 100%

làm bảng biêu

4 Pin

Dựa trên đánh giá tài liệu trên, rõ ràng là việc sử dụng các hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên điện hóa và đặc biệt là việc triển khai pin là nhiều hơn thường xuyên và rộng hơn so với các cơ chế lưu trữ năng lượng (xem Hình 9) Do đó, trong các tiêu mục sau, chúng tôi tập trung vào việc sử dụng pin, loại pin, tác động môi trường của chúng, giải pháp ước tính trạng thái cho bộ pin và pin hệ thống quản lý 4.1 Công dựng cza pin

Pin là thành phản nhỏ nhưng quan trọng giúp nhiều thiết bị hoạt động Chúng đã phát triên thành một trong những yếu tổ thiết yếu trong sự tỏn tại hàng ngày của chúng ta Một só loại pin có thê sạc lại được và chúng được sử dụng trong hàu hét các ngành công nghiệp Danh sách bên dưới bao gồm một số ứng dụng vẻ pin [104,105]

e Su dung pin tại nhà: Nhiều thiết bị gia dụng phụ thuộc vào pin; ví dụ, pin dùng

một lần cung cấp năng lượng cho các vật dụng nhu dén pin va điều khiến từ xa

Pin sac, chang han như pin kiềm, được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm điện thoại di động, máy chơi game cảm tay, máy ảnh kỹ thuật só, v.v

Các loại pin hiện đại như pin lithium cung cấp năng lượng cho các thiết bị ngón

điện quá mức như máy tính và các thiết bị khác

e_ Sử dụng pin trong các thiết bị y tế: Pin được sử dụng trong nhiều dạng thiết bi

y tế Các thiết bị hoạt động băng pin như vậy bao gòm chân tay giả, máy bơm insulin, máy trợ thính và thiết bị hỗ trợ van Các thiết bi điện tử như đồng hồ

thời gian thực và máy đo ánh sáng ảnh cũng được hưởng lợi từ việc sử dụng pin thủy ngân

e - Sử dụng pin trong ngành y tế: Pin được sử dụng rộng rãi trong ngành y té Máy theo dõi điện tâm dé (ECG) chay bang pin có thê di chuyên cùng với bệnh nhân và luôn bật để hiển thị các dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân Các bệnh

viện thường sử dụng pin sạc như pín lithium-ion và niken-cadmium

e Ung dụng pin trong xây dựng và hậu càn: Pin công suất lớn được sử dụng đề

cung cấp năng lượng cho máy móc như xe nâng vì quá trình đốt cháy tạo ra

carbon monoxide và khói thải có thẻ gây nguy hiêm ở những khu vực nhỏ Ác quy axit chì là loại ắc quy được sử dụng trong ô tô

Sử dụng pin trong ứng pho khan cap va chữa cháy: Bộ đàm cần thiết cho ứng pho khan cấp cản có pin Những chiếc radio này không thẻ lưu trữ những khoản phí quá lớn néu không có pin nặng ECG, đèn và thậm chí cả máy dò kim loại và lửa đều

sử dụng pin Những công cụ này cứu mạng sống hàng ngày

Việc sử dụng pin trong các hoạt động quân sự: Pin có mật độ năng lượng và năng lượng cao thường được sử dụng trong các hoạt động quân sự Radio được Sử dụng đề liên lạc, tiêu thụ pin Pin được sử dung dé cap nguồn cho nhiều thiết bị hiện

trường khác nhau, bao gém cả kính hồng ngoại Trong khi pin oxit bạc được sử dụng trong tên lửa và tàu ngam thi pin lithium có tuôi thọ cao hơn đáng kê cho các thiết bị

điện tử

Sử dụng Pin trong Xe cộ: Pin xe điện (EV) được sử dụng rộng rãi trong ô tô Loại pin này cung cấp năng lượng cho động cơ điện trong xe điện Pin cho ô tô điện thường có thể sạc lại Pin lithium-ion thường được Sử dụng trong xe điện

Sử dụng pin trong các nhà máy năng lượng tái tạo: Do tính chát không liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, sẽ rất có lợi nếu có cách lưu trữ năng lượng này dé có thê sử dụng khi cân thiết Bang só3, khái niệm này được trình bày [106] Sử dụng pin trong các thiết bị điện tử đeo được: Các chức năng

cảm giác, giao tiếp và giải trí kỹ thuật số có thế được áp dụng cho quản áo và phụ

kiện Có nhiều ví dụ điền hình khác nhau, bao gồm đồng hồ thông minh, kính thông minh, quần áo thông minh, máy đo nhịp tim, máy theo dõi thẻ dục, v.v.107]

Theo cách sử dụng và thành phản hóa hoc cua pin, thi phan pin toàn cầu năm

2019 dự kiến vào [108] Các giá trị thống kê được hiên thị ở hàng trên của Hình10

Thông tin chỉ tiết hơn về thị phần pin thứ cấp được hiên thị ở hàng dưới của Hình10

@ Secondary

@ Lithium-ion

@ Lead Acid

» Other Technologies

Hình 10.Thi phan cac loai ac quy trén toan thé giới

4.2 Gac logi pin knac nhau

Bình tích điện axit (có điện áp don vi la 2 v6n) cua nha vat ly Gaston PlantNo

lavao nam 1859 Lich su cua pin sac [109] bat dau voi sy phat trién cua chì- Ban dau bao gém hai tam chì được ngâm trong dung dịch axit sulfuric và được sac bang pin Daniel, bộ ắc quy này nhanh chóng phát triển để có thẻ phục vụ, từ cuối thế ký 19,

nhiều ứng dụng (ví dụ: chiếu sáng, lưu trữ năng lượng do máy phát điện tạo ra, V.V.),

bao gồm cả việc sản xuất xe điện Pin axit-chì nhanh chóng đạt mật độ năng lượng 30

watt-giờ trên kilo (Wh/kg), mặc dù khiêm tón (do khối lượng mol chì cao, trao đôi 2 mol electron cho 217 g mỗi mol), làm cho hỗn hợp này là một trong những bộ tích lũy

được sử dụng rộng rãi nhát do chỉ phí thấp Sự phát triển của các ắc quy hoạt động

trong môi trường kiềm cùng với sự phat trién của các điện cực dương trong niken oxyhydroxide (NiOOH), da tao điều kiện cho việc tăng mật độ năng lượng này lên

hơn 70 Wh/kg bằng cách trước tiên kết hợp điện cực niken này với điện cực âm của

cadmium ( Hóa học N/Cd), và sau đó với hợp kim hydrua MH (Hóa học Ni/MH) Tuy nhiên, điện áp di động vẫn còn khiêm tốn (khoảng 1,6 V) Một bước đột phá khoa

học quan trọng đã xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc tiếp thị pin Lithium-ion

của Sony, hai mươi năm sau Chất hóa học này két hợp các oxit dạng lamellar có dây nối và một điện cực carbon đã tạo ra bước đột phá vẻ mặt công nghệ trong cuộc đua

về mật độ năng lượng vượt trội

Thật thú vị khi nghiên cứu mật độ năng lượng lý thuyết của một số hệ thống lưu trữ điện hóa dựa trên dữ liệu nhiệt động và hóa học của chúng Ví dụ, lithium là một

nguyên tó nhẹ (7 g/mol) có thể trao đổi electron ở thế năng nhỏ bé là—3,04 V với điện

cực hydro tiêu chuan (SHE) Vì vậy, nó là kim loại ứng cử viên hoàn hảo cho điện cực

âm Tuy nhiên, thế oxy hóa khử của nó thấp đến mức nước không ồn định trong những điều kiện này, ngụ ý rằng chất điện phân dựa trên dung môi hữu co Pin lithium-ion mức mật độ năng lượng lý thuyết Tuy nhiên, hiệu suất đạt được còn

khiêm tốn hơn và việc sạc lại của chúng chỉ giới hạn trong một vài chu kỳ

Có hai hệ thông khác nhau được Sử dụng trong môi trường không chứa nước: hệ thống lithium-lưu huỳnh (LI-S) và lithium-air (Li-air) [90,110,111] Hệ thống lithium-lưu huỳnh sử dụng lithium kim loại làm điện cực âm và lưu huynh (S), chat

này có thê bị khử bằng cách thu giữ hai electron bang chất điện phân không chứa nước Với điện áp khiêm tón (2,2 V), công suất lớn sẽ bù đắp cho sự chênh lệch điện thế giữa lưu huỳnh và lithium (hai vật liệu tương đối nhẹ), do đó khiến hệ thống này trở thành ứng cử viên đây triển vọng cho thé hệ pin tiếp theo

Sự kết hợp giữa điện cực âm của lithium với điện cực dương nơi xảy ra quá trình

khử oxy, được gọi là liên kết Li-không khí, là hệ thống lưu trữ điện hóa có mật độ năng lượng lý thuyết cao nhất (trong đó cao tương ứng với hơn 3,5 kWh⁄kd

Ngày nay, pin Li-ion tiên tiến [112,114] có mật độ năng lượng thực tế khoảng 200 Wh/kg, đặc biệt là do các vật liệu mới như silicon được đặt ở điện cực âm Xem xét

những cải tiền tiềm năng về công suát vật liệu, chất điện phân và bao bì, mật độ năng

lượng sẽ đạt 300 Wh/kg Nguyên mẫu của công nghệ LI-S hiện nay có công suất hơn

300 Wh/kg, nhưng khả năng chu kỳ của chúng vẫn cần được cải thiện Thật vậy, điều

này vẫn chưa thỏa đáng, nhưng vẫn có những con đường và các giải pháp đã được đề

xuất trong các cuộc trao đôi gần đây Người ta ước tính rằng pin LI-S sẽ đạt hiệu suất

khoảng 500-600 Wh/kg, giúp xe có thê đi được quãng đường hơn 400 km như Nissan Leaf

Nhitng hra chon kha thi nhat cho thé hé thiết bị lưu trữ năng lượng tiếp theo là pin thé ran (SSB) Chat điện phân rắn (SE) có thé được sử dụng thay cho chất điện phân lỏng đề cải thiện độ an toàn bảng cách ngăn chặn quá trình đốt cháy và mật độ

năng lượng có thẻ được tăng cường băng cách triển khai nhiều điện cực cải tiến hơn [114,115]

Hệ thông cuối cùng, hệ thống Li-air, có mật độ năng lượng cao nhát, với 500 Wh/kg được chứng minh ở cấp độ nguyên mẫu và ước tính có thẻ đạt được ở mức 900 Wh/kg Tuy nhién, khong giéng nhu tinh chat hoa hoc cua LI-S, nhiều khóa khoa học

đã ngăn cản sự phát triển của chúng Các kết quả gần đây được công bó trong tài liệu không khuyén khích sự lạc quan vẻ cơ hội thành công ngắn hạn của hệ thống này Có

vẻ không hợp lý khi mong đợi các sản phẩm thương mại mang lại hiệu suất như vậy

và thời gian sử dụng xe đạp lâu nhất là trước mười lăm năm

Nhân vật11 hiên thị sự đóng góp thu nhập được thực hiện bởi các công nghệ

pin khác nhau Nó cho thay răng pin lithium-ion chiếm 40% tổng doanh sé bán pin

được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay và xe điện [11s] Hiện tại, không có hệ

thống thay thé nào có thẻ thách thức quyén bá chủ của các loại pin này

= Lithium-ion m@ Lead Acid 6% 3% 2% 1%

= Zinc-Carbon

® Nickel-Metal

@ Nikel-Cadmium Other

Hình 11.Sự đóng góp thu nhập của các công nghệ pin khác nhau trên toàn càu

Nhân vật đại diện cho tuổi thọ và hiệu suất của Bộ lưu trữ thủy điện được bơm (PHS), Bộ lưu trữ nang lrong khi nén (CAES), niken—cadmium (Ni-Cd), lithium-ion (Li-ion), natri—-lưu huỳnh (Na-S), natri-niken clorua (Na-NiGI2), Pin oxi hóa khử Vanadi (VRB) va pin kém-brom (Zn-Br2) [117]

100 ˆ ~ ~

90

CAES Lead-acid Ni-Cd Li-ion Na-S Na-NiICI2 VRB Zn-Br2

Battery Technologies

mlife(year) wm Energy efficiency (%)

Hình 12 So sánh tuỏi thọ và hiệu quả của các công nghệ pin khác nhau 4.3, Pin để lưu trữ điện

Tat ca các hệ thống vừa mô tả với mật độ năng lượng cao nhất đều cần thiết cho giao thông vận tải Trong các ứng dụng có định, chăng hạn như lưu trữ số lượng

lớn năng lượng từ năng lượng tái tạo hoặc điện khí hóa nhà ở, tiêu chí lựa chọn hoàn

toàn khác nhau Việc không có các ràng buộc về khối lượng hoặc thẻ tích trong các ứng dụng có định này khiến cho các khái niệm Wh/kg và Wh/L trở nên vô nghĩa Ngoài sự an toàn, các yếu tô đề lựa chọn là khả năng tái chế (độ bền) và khả năng chỉ trả Ngay cả khi chỉ phí - như bảo mật - là một hạn ché chung cho tát cả các ứng dụng

thì tiêu chí này vấn là tối quan trọng Trong lịch sử, loại pin đầu tiên được sử dụng

trên quy mô lớn trong các ứng dụng có định (chăng hạn như pin dự phòng) là pin axit chì Chúng đang dần được thay thé băng pin natri-lưu huỳnh (Na-8) hoạt động ở nhiệt

độ cao (300eC) Pin có công suất vài megawatt hiện đang được sử dụng trên khắp thé giới, chủ yếu ở Nhật Bản

Một công nghệ khác để lưu trữ năng lượng quy mô lớn đã được nghiên cứu trong vải năm: pin chảy qua [118,119] Những loại pin này lưu trữ năng lượng trong chất điện phân có chứa các cặp oxi hóa khử hòa tan; những chát điện phân anót và

catốt này được lưu trữ trong các bê chứa có thê chứa tới vài trăm hoặc vài nghìn lít

Để Xả pin và do đó cung cấp năng lượng theo yêu câu, các chất điện phân anót và catốt được bơm và lưu thông bên trong lõi tế bào, trong đó các phản ứng oxy hóa-khử

Sẽ giải phóng năng lượng Các hệ thống này có ưu điểm đáng kế là cho phép kiếm soát đơn giản lượng năng lượng dự trữ vì nó tỷ lệ thuận với kích thước của các bề chứa

Mặt khác, vẫn còn một số câu hỏi về độ bèn của các hệ thống này (sự ăn mòn

liên quan đến bản chát của chát điện phân được Sử dụng, nguy cơ xảy ra hỗn hop chat

điện phân không mong muốn, v.v.) và giá thành của chúng [120] Sự thiếu nhận thức

muộn màng này được giải thích là do khó nhận được phản hồi về các hệ thống lắp đặt quy mô lớn này, khó thiết lập, không giống như các công nghệ Li-ion vốn có sự phát triển dựa trên các ứng dụng đại chúng ở định dạng nhỏ, chăng hạn như trong điện

thoại hoặc máy tính xách tay Vì vậy, kết quả của pin tuần hoàn vẫn còn phải được

xác định Tuy nhiên, sẽ cần phải đợi thêm vài năm nữa trước khi có thẻ đưa ra kết luận

vẻ hiệu suất của nhiều ví dụ đang được sử dụng

Việc thay thé các ion lithium bảng các ion natri [121], nhờ đó nguyên liệu thô

rẻ hơn mười lần, cho phép tiết kiệm đáng kê giá mỗi kWh Tuy nhiên, nếu phương

pháp này hứa hẹn về mặt lý thuyết thì việc phát triển pin Na-ion từ lâu đã bị thách

thức bởi chiến lược sao chép đơn giản các vật liệu có sự xen kẽ Của các ion Lit dé tao

ra vật liệu có sự xen kẽ của các ion Na+ Tuy nhiên, sự phát triên gần đây của vật liệu mới xen kẽ ion Na+ đã chỉ ra rằng mặc dù năng lượng giảm 30% nhưng mật độ so voi quy trình Li-ion, pin Na-ion có thê đóng một vai trò trong các ứng dụng có định do chỉ phí giảm

Đẻ hoàn thành phản tông quan về lưu trữ năng lượng điện hóa, chúng ta sẽ thảo luận về siêu tụ điện [76,77], là hệ thông trung gian giữa tụ điện thông thường và pin Chúng có thẻ cung cấp mật độ năng lượng rất cao (>10 kW/kg) với mật độ năng lượng khiêm tốn (6 Wh/kg), tương ứng với hăng só thời gian từ vài giây đến vài chục giây Hiệu suất này được liên kết với chế độ lưu trữ điện tích Không có phản ứng oxi hóa

khử xảy ra trong các siêu tụ điện này vì việc lưu trữ được thực hiện băng tĩnh điện

thông qua sự hấp phụ các ion từ chất điện phân trên bẻ mặt cacbon xốp có đặc tính phát trién cao, do đó tích điện cho lớp kép điện hóa

Điện dung của lớp kép điện hóa này vào khoảng I0 đến khoảng 20 USD\muUSDF/cm2(microfarad trén cm2) Bang cach thay thé điện cực phang bang

vật liệu xốp có bẻ mặt riêng lớn như than hoạt tính (1000 đến 2000 m2/g), dat duoc công suất hơn 100 F/g carbon Điện áp tối đa của các tế bào này bị giới hạn bởi sự

phân hủy chất điện phân, cụ thể là 2,7 đến 3 V trong chất điện phân không chứa nước

Việc lưu trữ điện tích trên bề mặt giải thích sức mạnh đáng kinh ngạc của các hệ

thống này so với pin Việc không có sự thay đôi thê tích ở các điện cực trong các chu

kỳ (trong đó điện tích vẫn còn trên nắp) có nghĩa là khả năng tuần hoàn của siêu tụ

điện có thẻ đạt tới vài triệu chu kỳ ở nhiệt độ phòng Cuối cùng, các dung môi như acetonitril cho phép hoạt động giữa-40°C và +70°C Tuy nhiên, hãy nhớ rằng mật độ năng lượng thấp hơn mật độ năng lượng của pin khoảng 30 lần

Siêu tụ điện được sử dụng để cung cáp công suất đỉnh hoặc để phục hồi năng

lượng Chúng được tìm thấy ở quy mô nhỏ (<100 F) trong thiết bị điện tử công suất (nguồn điện liên tục (UPS), bộ đệm nguồn, v.v.) Các cầu trúc lớn hơn (>100 F) được

sử dụng trong ngành hàng không (vi du: Airbus A380), các sản phẩm ô tô (ví dụ: thu

hồi năng lượng phanh), vận tải (xe điện, xe buýt, thuyền, v.v.), can cau cảng, v.v

Chúng cũng cho phép, cùng với các đặc tính của pin được Sử dụng, tăng tuôi thọ của

pin bằng cách cung cáp mức năng lượng tối đa hạn ché nhát cho pin Ngày nay, thách thức chính liên quan đến việc tăng mật độ năng lượng của siêu tụ điện; nghiên cứu hiện tại hướng tới việc thiết kế các nguyên tử cacbon xốp mới băng cách kiểm soát kích thước của các lễ chân lông và phát triển các chát điện phân mới có tiềm năng cao

(ví dụ, dựa trên chát lỏng ion), hoặc thậm chí sử dụng các vật liệu oxi hóa khử hai

chiều có cầu trúc nano với khả năng tăng cường năng lượng động học phản ứng Cải thiện hiệu suất của pin và siêu tụ điện đòi hỏi phải tổng hợp các vật liệu hiệu suất cao mới, kiêm soát tốt hơn các giao diện vật liệu/điện phân và phát triển các công cụ mô hình hóa toán học và đặc tinh cau tric