PIN LI-ION POLYMER VÀ PIN LI-ION TRẠNG THÁI

NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại và trong tuơng lai của con người. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường. Có nhiều biện pháp được đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại di động …) Để đảm bảo các thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt gọn nhẹ, an toàn. Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêu cầu trên. Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp. Nửa đầu những năm 90 của thế kỉ trước, trên thị trường bắt đầu xuất hiện pin NiMH ( Nikel Metal Hydride ) do NiCd gây ô nhiễm môi trường. Và từ năm 2000 pin NiMH được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ). Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6% 8%. 1 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trình khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đi vào: “tìm hiểu tổng quan về pin Lithium ion’’ 2. Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Hiểu rõ hơn quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên các điện cực. - Đưa ra được cái nhìn tổng quan về pin Li-ion. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Khóa luận nghiên cứu tổng quan về Pin Li-ion bao gồm: - Cấu tạo của pin. - Quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên mỗi điện cực. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Có những hiểu biết cơ bản về loại pin này và những triển vọng phát triển cửa nó trong tương lai. 2 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học NỘI DUNG Chương 1- TỔNG QUAN Pin Lithium ion là một loại pin thứ cấp. Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sử dụng hợp chất của Lithium như vật liệu làm điện cực âm và dương. Trong một chu trình, ion Li + được trao đổi giữa các điện cực âm và dương. Vật liệu làm điện cực dương là oxit kim loại điển hình với cấu trúc dạng lớp, như Lithium Cobalt Oxide (LiCoO 2 ), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như Lithium Manganese Oxide ( LiMn 2 O 4 ), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm. Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực góp điện. Trong quá trình nạp/phóng điện, những ion Li + được điền vào hoặc tách ra từ khe hở giữa những lớp nguyên tử phía trong những vật liệu hoạt động. Những loại pin đầu trên được thương phẩm hóa và đa số thuộc những dòng khả dụng, dùng LiCoO 2 , như vật liệu làm điện cực dương. LiCoO 2 cho tính năng điện tốt, dễ chế tạo, tính an toàn cao và tương đối không nhạy cảm với những quá trình biến đổi và độ ẩm. Gần đây nhữnh vật liệu có giá thành thấp hơn, hoặc hiệu suất cao hơn, như LiMn 2 O 4 hoặc LiNi 1-x Co x O 2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tính năng được cải tiến. Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩm đầu tiên. Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp đã dùng glaphite làm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động và tốc độ nạp được cải tiến. Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầu những năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm. Lợi nhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000. 3 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến 2005. Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năng cao, công nghệ an toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm. Hình 1: Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin Lihium ion. Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên một mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau. Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah). Hiện nay pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dò mìn và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp ( 2% 8% mỗi tháng ) và có dải nhiệt độ hoạt động rộng ( nạp điện ở nhiệt độ từ -20 0 C 60 0 C, 4 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học phóng điện được ở nhiệt độ từ -40 0 C 65 0 C ) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của pin Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin. Pin Li-ion có thể cho khả năng tốc độ cao. Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc tốc độ xung là 25C. Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định. Những ưu, nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng dưới đây: Bảng 1: Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion. Ưu điểm Nhược điểm -Kín, không cần bảo trì. -Chu kỳ sống dài. -Dải nhiệt độ hoạt động rộng. -Thời gian hoạt động dài. -Tốc độ tự phóng chậm. -Khả năng nạp nhanh. -Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao. -Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao. -Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao. -Không có hiệu ứng nhớ. -Giá trung bình ban đầu. -Giảm khả năng ở nhiệt độ cao. -Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện. -Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bị quá tải. -Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép. -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH. Hiện nay các công trình nghiên cứu về Pin Li-ion vẫn tiếp tục được tiến hành và trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực 5 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp. 6 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Chương 2 - PIN DẪN ION LITIUM 2.1. Cấu tạo Cấu tạo của một pin Li-ion bao gồm một điện cực dương và một điện cực âm được ngăn cách bởi một màng ngăn xốp polyethylene hoặc polypropylene dày từ 16µm đến 25µm. Điện cực dương gồm một vật liệu hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 25µm, với độ dày đặc trưng tổng cộng khoảng 180µm. Điện cực âm bao gồm vật liệu carbonaceous hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 20µm, với độ dày tổng cộng khoảng 200µm. Màng ngăn xốp và lớp phủ đòi hỏi mỏng vì hệ số dẫn trong chất điện phân khô thấp, khoảng 10ms/cm, và sự khuếch tán ion Li + trong vật liệu điện cực dương và âm chậm, khoảng 10 -10 m 2 s -1 . Vỏ được dùng như một terminal âm thì điển hình là thép tráng Nikel; khi được sử dụng như terminal dương, vỏ điển hình là nhôm. Hầu hết những pin được thương phẩm hoá sử dụng phần đầu để hợp nhất những phần rời rạc, được hoạt hoá bởi áp suất hoặc nhiệt độ, như thiết bị PTC, và có một lỗ thông an toàn. Hình 2: Cấu tạo chi tiết phần đầu của pin với bộ ngắt và cơ cấu lỗ an toàn cho những sự nâng cao bất thường của áp lực bên trong. 7 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học 2.1.1. Pin Li-ion dạng trụ Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau: Hình 3: Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ. Để ứng dụng trong những lĩnh vực đặc biệt hoá, chuyên môn hoá, như trong vệ tinh, những pin ống lớn được phát triển. Những pin "25Ah" được phát triển bởi Blue Star Advanced Technology, được miêu tả trong hình sau: 8 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Hình 4: Những pin Li-ion trụ "25Ah". Những sản phẩm này dùng LiCoO 2 làm cực dương và graphite làm cực âm. Khối lượng của những bộ phận cấu thành chính của một pin (29Ah) được mô tả trong bảng sau: Bảng 2: Bảng phân tích khối lượng của Pin 29Ah.trụ Bộ phận cấu thành Khối lượng (g) Tỉ lệ trong tổng khối lượng pin (%) 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 2.1.2. Pin Li-ion lăng trụ phẳng 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. 9 NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Hình 5: Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ. Vỏ của pin sử dụng thép tráng Nikel hoặc thép không gỉ 304L. Vỏ được phủ kín bằng một trong hai cách điển hình: TIG hoặc hàn bằng máy laser. 10 [...]... lại tăng lên, và hiệu suất được cải tiến Pin Li-ion đang được phát triển nhanh chóng và thương phẩm hoá rộng rãi; dự đoán trong tương lai, phạm vi ứng dụng của pin Li-ion sẽ ngày càng rộng rãi 28 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 những đặc tính vận hành của pin Li-ion, bao... 2,7V hoặc 4,1V và 2,7V, ở mật độ dòng 0,08mA/cm2 ở 250C 32 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học KẾT LUẬN Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại pin, và pin Li-ion có nhiều đặc tính tốt hơn cả so với các loại pin cùng chủng loại như pin NiCd, NiMH (pin Li-ion vượt qua pin NiMH về mật độ tích trữ năng lượng) Pin Li-ion được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực, và làm cơ sở cho... của pin; dải dung lượng khả dụng từ 0,5Ah tới 8Ah Những pin này có năng lượng riêng và mật độ năng lượng có thể so sánh được với pin Li-ion dạng trụ, lăng trụ, pin C/LiCoO2 có mật độ năng lượng 145 190Wh/kg, và năng lượng riêng từ 270 ÷ 400Wh/L, trong khi với pin C/LiMn 2O4 là 130 ÷ 144Wh/kg và 235 ÷ 300Wh/h 30 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Trong quá trình nạp điện, pin Li-ion. .. ứng dụng rộng rãi trong khối dữ liệu cao và được sử dụng ngày càng tăng trong pin điện thoại và PDAs 4.2 Pin Li-ion rắn Một loại pin Li-ion đặc biệt được phát triển thay thế cho chất bán dẫn và mạch in (PCB) đó là những thiết bị màng mỏng, rắn Đó là những pin sử dụng bản âm gốm, chất điện li và vật liệu điện cực dương rắn, có thể duy trì ở nhiệt độ cao (2500C) và có thể được xây dựng bởi những kỹ thuật... năng lượng đặc trưng và mật độ năng lượng cao, mỏng, tỉ lệ kích thước cao Công nghệ này được ứng dụng trong những thiết bị truyền thông di động đặc biệt và những thiết bị đòi hỏi sự mỏng, pin nạp lại có vùng phủ sóng rộng Trong đó pin Li-ion Polymer được sử dụng tương tự như pin Liion dạng trụ hoặc lăng trụ; trong pin Li-ion polymer, sự nối các điện cực cho phép tạo thành những pin được nén mỏng phía... W/L 700 ÷ 1300 W/Kg Pin Li-ion có điện áp cao, dải điện thế vận hành điển hình từ 2,5V ÷ 4,2V, gần gấp 3 lần so với NiCd hoặc NiMH Pin Li-ion cho năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao, năng lượng riêng hơn 150Wh/Kg và mật độ năng lượng trên 400Wh/L được khả dụng Pin Li-ion cho khả năng tốc độ cao, tốc độ liên tục trên 5C và tốc độ xung trên 25C, do đó có mật độ năng lượng cao và tốc độ tự phóng... bản xảy ra trong pin Li-ion 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion 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... điều này trái ngược với những công nghệ pin Li-ion khác có vỏ bằng thép hoặc nhôm Cấu trúc này được mô tả như sau: Hình 14: Sơ đồ phác hoạ mô tả cấu trúc của một polymer .pin Li-ion Những điện cực của pin Li-ion polymer có thể được đúc từ hỗn hợp nhớt (huyền phù) bao gồm một vật liệu hoạt động (ví dụ: LiMn 2O4, LiCoO2, LiAl0,05CO0,15Ni0,8O2 cho điện cực dương; và graphite nhân tạo hoặc nghiền sợi graphite... trình nạp điện, pin Li-ion polymer có thể nạp liên tục cho tới khi điện thế của pin đạt điện áp tối đa là 4,2V Trong quá trình phóng điện, ở tốc độ thấp (1C) pin Li-ion có điện thế trung bình 3,8V; ở tốc độ 2C, 3,55V; ở tốc độ 3C, 2,45V Pin Li-ion polymer có nhiều thuộc tính mà thị trường thèm muốn bao gồm dung lượng tốt, sự tự phóng thấp, tính ổn định trong sự tích trữ dài và an toàn Những sản phẩm... cũng tham gia vào quá trình điền kẽ và dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc graphite Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng: độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng Pin và việc sử dụng pin ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao Cả vật liệu âm cực và dung dịch điện phân cũng đóng vai trò quyết định tới quá trình tạo thành lớp chuyển tiếp và các tính . cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của pin Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin. Pin Li-ion có. nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đi vào: “tìm hiểu tổng quan về pin Lithium. học NỘI DUNG Chương 1- TỔNG QUAN Pin Lithium ion là một loại pin thứ cấp. Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sử dụng hợp chất của Lithium như vật liệu làm điện cực âm và dương. Trong một chu trình,