CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITHI ION

Pinđược đặt tên theo chất điện phân bên trong là kali hydroxit, là một chất kiềm alkaline - Pin Lithi-ion có thể sạc lại: pin thường được sử dụng trong các thiết bị hiệu suất cao,chẳng h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO MÔN ĐIỆN HÓA HỌC

ĐỀ TÀI:

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

PIN LITHI - ION

Giảng viên: TS TRẦN VĂN MẪN

Nhóm 1: 1 BÙI NHẬT VŨ - MSHV: M2016011

2 TRẦN THỊ DIỄM TRANG - MSHV: M2016009

LỚP CAO HỌC HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ K.23

Năm 2017

MỤC LỤC

Trang

1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Lịch sử tìm ra pin 3

1.2 Tổng quan về các loại pin 7

1.2.1 Cấu tạo của một viên pin 8

1.2.2 Phản ứng hóa học bên trong pin 8

1.2.3 Khả năng sạc của pin 9

1.3 Giới thiệu về nguồn điện hóa học 10

1.3.1 Điều kiện để hệ điện hóa trở thành nguồn điện hóa học 10

1.3.2 Các đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng của nguồn điện hóa học 13

2 PIN LITHI-ION 14

2.1 Giới thiệu về pin Lithi-ion 14

2.1.1 Lịch sử phát minh 14

2.1.2 Ứng dụng của pin Lithi-ion 15

2.1.3 Các loại pin Lithi – ion 15

2.1.4 Ưu và nhược điểm của pin Lithi-ion 26

2.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion 28

2.1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion 28

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của pin Lithi-ion 29

2.3 Chế tạo pin Lithi-ion 31

2.3.1 Vật liệu 32

2.3.2 Sản xuất pin Lithi-ion 32

2.3.3 Đường cong phóng điện 37

2.4 Quy trình sạc và xả pin 39

2.4.1 Tổng quan về quá trình sạc pin 39

2.4.2 Vấn đề “sạc sâu” (Over-charging) 40

2.4.3 Xả pin Li-ion bị over-discharg (xả sâu) 41

2.4.4 Vấn đề cân bằng cell (cell balancing) 41

2.4.5 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc 43

2.5 Sử dụng pin Lithi-ion an toàn, hợp lý 43

2.6 Những nghiên cứu cải tiến trong pin Li-ion 45

2.6.1 Pin Lithi-ion cải tiến, tuổi thọ 20 năm 45

2.6.2 Pin nhạy cảm với nhiệt độ có thể ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ 45

2.6.3 Pin Nano 46

2.6.4 Pin Lithi-air 46

2.6.5 Siêu tụ điện 47

3 KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

BÁO CÁO VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PIN LITHI-ION

GIẢNG VIÊN: TS TRẦN VĂN MẪN NHÓM 1: BÙI NHẬT VŨ - TRẦN THỊ DIỄM TRANG LỚP CAO HỌC HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ K23

1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử tìm ra pin

Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các

ứng dụng công nghiệp Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiềuthiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động, máy tính bảng đếnpin cỡ lớn dùng cho xe điện, Pin đã, đang và sẽ là một công cụ lưu trữ năng lượng được sửdụng phổ biến không chỉ trong hiện tại mà còn nhiều năm nữa trong tương lai

Pin đã xuất hiện trong lịch sử nhân loại từ rất sớm Năm 1938, nhà khảo cổ họcWilhelm Konig đã phát hiện ra một vài chậu đất sét nung trông khá kì lạ khi ông đang khaiquật ở Khujut Rabu, ngoại ô Baghdad, Iraq ngày nay Những chiếc bình dài khoảng 5 inch(12.7 cm) có chứa một que sắt bao phủ bên ngoài bằng đồng có niên đại từ những năm 200trước CN Các kiểm tra cho thấy rằng những chiếc bình này trước kia có lẽ đã từng chứanhững hợp chất có tính axit như dấm hay rượu nho chẳng hạn Vì vậy Konig tin rằng nhữngchiếc bình này có thể là những viên pin của thời cổ đại Từ phát hiện này, các học giả đã môphỏng cấu tạo của chiếc bình và quả thực chúng có thể tạo ra điện Những” pin điện Baghdad”này có thể đã từng được dùng cho nghi lễ tôn giáo, chữa bệnh hay thậm chí là để mạ điện

Vào năm 1799 nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã tạo ra viên pin đầu tiên bằngcách xếp chồng các lớp kẽm, lớp bìa giấy hoặc vải đã thấm nước muối và bạc với nhau Tuykhông phải thiết bị đầu tiên có thể tạo ra dòng điện nhưng lại là thứ đầu tiên có thể tạo ra dòngđiện lâu dài và ổn định Tuy nhiên phát minh này của Volta tồn tại một số hạn chế Chiều caocủa các lớp được xếp lên nhau bị hạn chế bởi khối lượng của chồng đĩa kim loại sẽ ép nướcmuối chảy ra khỏi bìa giấy hoặc vải thấm Các đĩa kim loại cũng có xu hướng bị ăn mòn nhanhlàm rút ngắn tuổi thọ của pin

Đột phá tiếp theo trong công nghệ làm pin xuất hiện vào năm 1836 khi nhà hóa họcJohn Frederick Daniell phát minh ra pin Daniell Trong những mẫu pin loại này đầu tiên, mộttấm đồng được đặt ở dưới đáy của một bình thủy tinh và đồng sulfate được đổ đầy đến nửabình Sau đó, một tấm kẽm được treo trong bình, và thêm vào dung dịch kẽm sulfat Bởi vìdung dịch đồng sulfate có tỉ trọng lớn hơn sulfate kẽm, dung dịch kẽm nổi lên phía trên cùng

và bao quanh tấm kẽm Dây điện nối với tấm kẽm được gọi là cực âm, trong khi một dây khácnối với các tấm đồng là cực dương Rõ ràng, cách sắp xếp này không phù hợp với thiết bị diđộng như các loại đèn pin chẳng hạn nhưng với thiết bị tĩnh thì ngược lại, pin Daniel hoạt độngrất tốt Trong thực tế, pin Daniell đã được sử dụng phổ biến để cấp điện cho chuông cửa điện

và điện thoại trước khi các máy phát điện được phát triển thành công

Đến năm 1898, pin khô Colombia đã trở thành pin đầu tiên được thương mại hóa trênlãnh thổ Hoa Kì Nhà sản xuất, công ty National Carbon sau đó đã trở thành công ty Eveready,hãng sản xuất ra thương hiệu pin Energiner danh tiếng

Mãi cho tới năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành công trong việc cảitiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao Giải pháp cải tiến của 2 nhà phát minh làtrang bị thêm những tấm vách ngăn các điện cực thành nhiều khoang Năm 1947, GeorgeNeumann tiếp tục hoàn thiện mô hình trên thông qua việc chế tạo thế hệ pin NiCd với nhiềuvách ngăn bên trong được hàn kín lại.

Nhiều năm sau đó, pin NiCd tiếp tục là loại pin duy nhất có thể sạc và di chuyển được.Vào những năm 1990, vấn đề môi trường được quan tâm hàng đầu tại châu Âu và các nhàkhoa học bắt đầu chú ý đến pin NiCd do khả năng xử lý các hóa chất độc hại sau quá trình sửdụng Các đạo luật được ban hành nhằm hạn chế việc sử dụng các nguyên tố này và chuyểnsang sử dụng pin Nickel-Sắt Hydrid (NiMH) thân thiện với môi trường hơn Dù vậy, tương tựnhư pin NiCd, pin NiMH vẫn chưa thật sự đạt được hiệu quả như mong đợi và các nhà nghiêncứu vẫn tiếp tục phát triển nên một thế hệ pin ưu việt hơn Đây chính là bàn đạp tạo tiền đề cho

sự ra đời của pin Lithi-ion (Li-ion)

Bảng 1: Tóm tắt các cột mốc quan trọng có liên quan đến quá trình phát triển của pin

Một số hình ảnh về lịch sử phát triển của pin

Hình 1: Giáo sư Cơ thể học Luigi Galvani

(1737-1798) với phát hiện đâm que sắt

vào chân nhái đặt trên bàn kim loại

khiến chân nhái co giật

Hình 2: Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha

đẻ của pin

Hình 3: Mô hình pin của Volta Hình 4: Mô hình pin đầu tiên của Volta còn được bảo tồn đến ngày nay

Hình 5: Nhà hóa học người Anh, William

Cruickshank với thiết kế mô hình pin

đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mô

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin Li-ion

Năm 1991, tập đoàn điện tửSony chính thức thương mại hóa pinLi-ion dưới quy mô sản xuất côngnghiệp Cho đến nay, hầu hết các hoạtđộng nghiên cứu đều xoay quanh việccải thiện hiệu suất của pin Li-on Bêncạnh việc cung cấp năng lượng chođiện thoại di động, máy tính xách tay,máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện vàcác thiết bị y tế, pin Li-ion hiện naycòn được sử dụng cho xe điện Đây làthế hệ pin đáng chú ý nhất tính đếnthời điểm hiện tại do có mức lưu trữnăng lượng riêng, thiết kế đơn giản,hiệu suất cao, cho dòng ổn định, chiphí bảo trì thấp và khá thân thiện vớimôi trường

Hình 10: Pin Li-ion của hãng điện thoại Nokia

1.2 Tổng quan về các loại pin

Pin được phân loại theo hóa học, và phổ biến nhất là hệ thống Lithi, chì, và niken Hình

11 minh hoạ sự phân bố của các hệ thống này Với 37% doanh thu toàn cầu, pin Li-ion là lựachọn số một cho các thiết bị cầm tay và hệ thống điện

Hình 11: Doanh thu toàn cầu của hệ thống pin khác nhau

37% Pin Lithi-ion 20% Pin axit chì, pin khởi động

15% Pin kiềm, pin sơ cấp 8% Pin axit chì, pin cố định

6% Pin Zn-C, pin sơ cấp 5% Pin axit chì, pin chu kỳ sâu

3% Pin NiMH 3% Pin Lithi, pin sơ cấp

2% Pin Ni-Cd 1% Khác

Nguồn: Frost & Sullivan (2009)

1.2.1 Cấu tạo của một viên pin

Một viên pin bất kỳ đều có hai cực (terminal) Một cực được đánh dấu (+) là cực dương,cực còn lại được đánh dấu (-) là cực âm Trong những loại pin cho đèn pin thông thường, nhưpin AA, C hoặc D, các cực của pin đặt trên hai đầu của pin Tuy nhiên, một pin 9 volt hoặc ắcquy xe hơi, hai cực pin nằm cạnh nhau phía trên đỉnh viên pin Khi ta kết nối một dây giữa haicực này, các electron sẽ đi từ cực âm đến cực dương với tốc độ cực kì nhanh Điều này sẽ làmpin hết nhanh và cũng có thể gây nguy hiểm, đặc biệt là với các loại pin lớn Để sử dụng pin, taphải kết nối pin với một tải chẳng hạn như một bóng đèn, một động cơ hoặc một mạch điện tử.Các thành phần bên trong của pin được đặt trong vỏ kim loại hoặc nhựa Bên trong lớp vỏ này

là catot, kết nối với cực dương và anot kết nối cực âm Các thành phần này được gọi các điệncực, chiếm hầu hết không gian trong pin và là nơi mà các phản ứng hóa học xảy ra

Một lớp phân cách tạo ra một rào chắn giữa catot và anot, ngăn ngừa các điện cực nàytiếp xúc với nhau trong khi các điện tích vẫn có thể lưu thông tự do Lớp trung gian cho phépcác điện tích chạy giữa cực âm và cực dương được gọi là điện phân Cuối cùng, anot được nốivới đầu âm và catot nối với đầu dương để truyền điện ra ngoài

1.2.2 Phản ứng hóa học bên trong pin

Rất nhiều phản ứng xảy ra bên trong pin khi ta bật một chiếc đèn pin, điều khiển từ xahoặc các thiết bị không dây khác Trong khi các quy trình tạo ra dòng điện khác nhau đôi chúttùy theo loại pin, nhưng nguyên lý hoạt động chẳng khác gì nhau

Khi tải được nối với 2 cực, pin sản xuất điện thông qua một loạt các phản ứng điện từgiữa cực dương và cực âm và điện phân Ở anot xảy ra phản ứng oxi hóa trong đó hai hoặcnhiều ion từ chất điện phân kết hợp với anot, tạo ra một hợp chất và giải phóng một hoặc nhiềuelectron Đồng thời, ở catot xảy ra phản ứng khử, trong đó chất làm catot, các ion và electron

tự do cũng kết hợp để tạo thành hợp chất

Quy trình này thực sự rất đơn giản: Phản ứng ở cực âm (anot) tạo ra các electron điện

tử, và các phản ứng trong cực dương (catot) sẽ hấp thụ những electron đó Kết quả là ta códòng điện Các pin sẽ sản xuất điện liên tục cho đến khi một hoặc cả hai điện cực bị ăn mònhết khiến các phản ứng hóa học trên không thể xảy ra

Pin hiện đại sử dụng nhiều loại hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo ra dòngđiện Các pin hóa học thường gặp bao gồm:

- Pin kẽm – carbon: pin sử dụng điện cực kẽm, carbon khá phổ biến đối với các loại pin

rẻ tiền AAA, AA, C và pin khô D Anot là kẽm còn catot là mangan dioxide, và chất điện phân

là amoni clorua hoặc kẽm clorua

- Pin Alkaline (pin kiềm): pin hóa học này cũng phổ biến trong các loại pin AA, C vàpin khô D Catot tạo thành từ hỗn hợp mangan dioxide, trong khi anot là một loại bột kẽm Pinđược đặt tên theo chất điện phân bên trong là kali hydroxit, là một chất kiềm (alkaline)

- Pin Lithi-ion (có thể sạc lại): pin thường được sử dụng trong các thiết bị hiệu suất cao,chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và xe điện Nhiều chất được sử dụngtrong pin Lithi, nhưng một sự kết hợp phổ biến là Lithi Cobalt oxide để làm catot và cacbonlàm anot

- Pin chì – axit (có thể sạc): Đây là loại pin được sử dụng phổ biến trong các xe hơi haycòn gọi là ắc quy Các điện cực thường được làm bằng chì dioxide và chì kim loại, trong khichất điện phân là dung dịch axit sulfuric

1.2.3 Khả năng sạc của pin

Cùng với sự phát triển không ngừng của thiết bị di động như máy tính xách tay, điệnthoại di động, máy nghe nhạc và các thiết bị điện không dây, nhu cầu về pin sạc đã tăng mạnhtrong những năm gần đây Pin sạc xuất hiện từ năm 1859, khi nhà vật lí Pháp Gaston Plantephát minh ra pin chì – axit Với cực âm là kim loại chì, cực dương là chì dioxide và sử dụngaxit sulfuric làm chất điện phân, pin Plante là một tiền thân của ắc quy trên xe hơi ngày nay

Pin không có khả năng sạc (pin sơ cấp), và pin có thể sạc (pin thứ cấp), đều sản xuấthiện theo cùng một cách giống nhau: thông qua một phản ứng điện hóa có sự tham gia của cựcdương, cực âm và chất điện phân Trong loại pin có thể sạc được, phản ứng đó có thể đảongược Khi pin được cấp năng lượng điện từ một nguồn bên ngoài, dòng electron bị đảongược, các electron chạy từ cực dương sang cưc âm, pin được sạc Pin sạc phổ biến nhất trênthị trường hiện nay là Lithi-ion (Lion), thay thế cho pin nickel-metal hydride (NiMH) và nickelcadmium (NiCd) từng rất phổ biến trước đây

Khi nói đến pin sạc, không phải tất cả các pin được tạo ra giống nhau Pin NiCd là pinsạc được phổ biến rộng rãi đầu tiên nhưng nó gặp phải vấn đề gọi là “hiệu ứng nhớ” Về cơbản, nếu loại pin này không được xả hoàn toàn mỗi khi được sử dụng, nó sẽ nhanh chóng bịmất dung lượng Vì thế Pin NiCd đã bị thay thế bởi pin NiMH Loại pin thứ cấp này có côngsuất cao hơn và được thiết kế để giảm thiểu tác động từ hiệu ứng nhớ, nhưng thời gian lưu khokhông cao Giống như pin NiMH, pin Lion có tuổi thọ cao, nhưng có khả năng giữ điện tốthơn, hoạt động ở điện áp cao hơn, và nhỏ nhẹ hơn nhiều Tuy nhiên, pin Lion vẫn chưa thể

xuất hiện trong các cỡ pin tiêu chuẩn như AAA, AA, C hoặc D và giá thành vẫn cao hơn đáng

kể hơn so với các loại pin cũ khác

Công nghệ chế tạo pin đã đạt được nhiều thành tựu kể từ những ngày đầu tiên xuất hiệnpin Volta Những phát triển này phản ánh rõ rệt nhất sự nhảy vọt của thế giới đồ điện xách tay,thế giới mà ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào những nguồn năng lượng di động này Nhưngchắc chắn rằng trong tương lai, thế hệ pin tiếp theo sẽ ngày càng nhỏ hơn mạnh mẽ hơn và có

độ bền cao hơn

1.3 Giới thiệu về nguồn điện hóa học

1.3.1 Điều kiện để hệ điện hóa trở thành nguồn điện hóa học

Nguồn điện hóa học được xem là thiết bị để biến trực tiếp năng lượng hóa học thànhnăng lượng điện Trên cơ sở của các quá trình phản ứng oxi hóa khử xảy ra khác nhau trongcác hệ điện hóa, người ta có thể tạo ra rất nhiều nguồn điện hóa học Nhưng không phải tất cảcác hệ điện hóa được tạo ra đều được xem là nguồn điện hóa học Để cho hệ điện hóa trở thànhnguồn điện hóa học cần thỏa mãn các điều kiện sau:

a) Sức điện động E của nguồn điện phải đủ lớn.

Hệ điện hóa (pin hoặc ắc quy) có khả năng tạo ra sức điện động lớn về mặt nhiệt độnghọc Nếu E là sức điện động của hệ điện hóa (pin điện), ∆H0 là hiệu ứng nhiệt của phản ứngxảy ra trong pin Khi đó sức điện động E được tính:

b) Về quan hệ giữa sức điện động E và thế V của nguồn điện

Sức điện động E là đại lượng quan trọng nhất của nguồn điện, nó là hiệu thế các điệncực với giá trị đo được khi không có dòng ngoài đi quan nguồn điện hóa học

Thế của nguồn điện hóa học là hiệu thế các điện cực khi hệ điện hóa – pin điện bị khépkín mạch, kí hiệu là V Vậy khi pin làm việc thì giá trị V < sđđ E, nguồn điện có chất lượng caonếu giá trị của V có giá trị tối đa xấp xỉ bằng sđđ E

Như đã biết: V = E – ∆Ec – ∆Ea – Ir (2)

Trong đó: ∆Ec: phân cực catot; ∆Ea; phân cực anot; r: điện trở nội; I: cường độ dòng điện

V = E – (Rpc + Rpa + r)I = E – IR (3)

Trong đó: Rpc, Rpa gọi là điện trở phân cực catot và anot

Vậy thế V nhở hơn sức điện động E một giá trị IR Đối với nguồn điện hóa học sực phụthuộc giữa V và I là một đặc trưng quan trọng

Để tăng giá trị của V thì R phải giảm, nghĩa là phải giảm độ phân cực catot và anot saocho các quá trình điện hóa xảy ra rất nhanh đồng thời phải giảm tối đa điện trở nội r của nguồnđiện Muốn vậy nguồn điện phải có cấu trúc đặc biệt, như làm giảm khoảng cách đến mức tối

đa giữa các điện cực, dùng chất điện li có độ dẫn điện cao,… Khi phóng điện với mật độ dòngnhỏ thì sự giảm thế của nguồn điện không lớn nhưng khi phóng điện với dòng lớn thì độ giảmthế lớn Ví dụ với ắc quy chì axit, giá trị điện trở R của chất điện li và các lá cách giữa các điệncực cách nhau 1,5 mm xấp xỉ bằng 0,006Ω/ dm2 Khi mật độ dòng phóng điện tương đối lớnkhoảng 12A/dm2 thì sự giảm thế khoảng 70mV và xấp xỉ bằng 3,5% sức điện động của ắc quy

c) Dung lượng và năng lượng của nguồn điện phải đủ lớn

Dung lượng và năng lượng của nguồn điện là một trong những đại lượng quan trọng đặctrưng cho nguồn điện hóa học

Dung lượng của nguồn điện hóa học là lượng điện do nguồn cung cấp khi phóng điện.Nếu nguồn điện bị phóng điện với dòng điện I (A) trong khoảng thời gian τ giờ thì dung lượng

V V tb d

trong đó: Vtb: thế trung bìnhKhi phóng điện, thế của nguồn điện giảm vì có sự phân cực và điện trở tăng lên theothời gian Hình 12 trình bày sự phụ thuộc của thế theo thời gian Diện tích OABC xác định giátrị tích phân theo phương trình (6) Đương nhiên với các nguồn điện có giá giá trị tích phânnày càng lớn thì chất lượng nguồn càng cao, nghĩa là có giá trị dung lượng CR càng lớn

Hình 12: Đường cong phóng điện của nguồn điện hóa học theo thời gian

Năng lượng của nguồn điện Ai là lượng năng lượng cung cấp cho mạch ngoài khi phóngđiện Giá trị năng lượng này bằng tích số của dung lượng điện và thế trung bình Vtb Vậy ta có:

0

.1

V V tb d

Thường người ta dùng khái niệm năng lượng riêng của nguồn điện hóa học thay cho

năng lượng của nguồn điện

Năng lượng riêng là năng lượng của nguồn điện tính cho một đơn vị khối lượng hoặc

đơn vị thể tích của chất hoạt động bề mặt Đại lượng này phụ thuộc vào điều kiện phóng điện

Ngoài các đại lượng trên, người ta còn dùng khái niệm công suất riêng để so sánh chất lượng các nguồn điện Công suất riêng của nguồn điện là năng lượng do nguồn điện cung cấp tính

cho một đơn vị thời gian của một đơn vị thể tích hay là một đơn vị khối lượng của nguồn điệnhóa học

d) Sự tự phóng điện của nguồn điện phải thấp

Trong quá trình bảo quản các nguồn điện, dung lượng của chúng giảm dần theo thờigian Hiện tượng đó được gọi là sự tự phóng điện Lý do chính của hiện tượng tự phóng điện là

sự hình thành các nguyên tố vùng Chúng làm mất dần các chất hoạt động của điện cực dẫnđến sự hư hỏng các điện cực Mặt khác các nguyên tố này sinh ra sức điện động có dấu ngượcvới sức điện động của nguồn, vì thế giảm sức điện động của nguồn điện hóa học Sở dĩ có cácnguyên tố vùng là vì trên các điện cực có lẫn tạp chất có quá thế hiđro thấp (đối với ắc quyaxit) hoặc trong dung dịch chất điện li có chứa các ion đa hóa trị Ví dụ: Fe2+ và Fe3+

1.3.2 Các đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng của nguồn điện hóa học

a) Dung lượng C [Ah] và dung lượng riêng [Ah/kg]

Dung lượng chỉ điện lượng tích trữ được tính bằng tích cường đồ dòng điện I [A] nhânvới thời gian t [h] Để xác định dung lượng định danh của một nguồn điện, người ta phóngđiện ở Ichuẩn = const theo thời gian cho đến khi điện thế của nguồn điện sụt đến một giá trị Vd

quy định

Dung lượng riêng là điện lượng tích trữ qui trên đơn vị khối lượng [Ah/kg] hoặc quytrên đơn vị thể tích [Ah/lít] Một nguồn điện tốt cần phải có dung lượng tích trữ lớn, nhưng kếtcấu phải gọn và nhẹ Tất nhiên, bản chất của điện cực đóng vai trò quyết định Dung lượngriêng của các vật liệu nguồn điện phổ cập như chì là 260 [Ah/kg], kẽm là 820 [Ah/kg], cònLithi là 3860 [Ah/kg]; vì vậy xu thế phát triển nguồn điện có dung lượng cao phải dựa trên cơ

sở Lithi

b) Công suất P [W] và công suất riêng [W/kg]

Công suất của nguồn điện được tính bằng tích của điện

thế V [V] nhân với cường độ dòng điện I [A]: P = V x I Quá

trình phóng điện (hình 13) sẽ làm cho điện thế định danh Vđd

của nguồn điện giảm dần Vì vậy để tính công suất P, điện thế

V sẽ là giá trị trung bình của Vđd vàVd (Vđd ≡ điện thế hở

mạch hay sức điện động của nguồn điện EOC)

Công suất riêng là đại lượng tính trên đơn vị khối

lượng [W/kg] hoặc trên đơn vị thể tích [W/dm3; W/lít]

c) Mật độ năng lượng E [Wh/kg] hoặc [Wh/dm 3 ]

Mật độ năng lượng là đại lượng năng lượng riêng, được tính bằng tích của dung lượngriêng [Ah/kg] nhân với điện thế [V]

Mật độ năng lượng cũng là thước đo hữu ích về khả năng tích trữ và làm việc của nguồnđiện Có một thực tế là các nguồn điện hóa học ở trình độ công nghệ hiện nay mới chỉ đạt ~ 1/3giá trị lý thuyết về mật độ năng lượng Ví dụ: ở ắc quy chì axit, mật độ năng lượng lý thuyết là

165 Wh/kg, trong thực tế phổ biến chỉ đạt 50 Wh/kg Các nguyên nhân dẫn đến giới hạn vềmật độ năng lượng gồm có nguyên nhân do bản chất động học của quá trình điện cực xảy ratrong nguồn điện lẫn nguyên nhân do kết cấu chưa hợp lý của nguồn điện

Hình 13: Đồ thị V/P = f(I)

d) Hiệu suất η [%]

Hiệu suất điện hĩa η là đại lượng đặc trưng cho hiệu quả của quá trìn chuyển hĩa năng

lượng điện hĩa

lt

Năng lượng thực tế E

Năng lượng lý thuyết cĩ thể tính: Ett = A’max = n.F.E (10)

Năng lượng thực tế thu được: Et =

Hiệu suất thực tế của các loại nguồn điện hĩa học cĩ thể dao động trong khoảng 30 …

70 Giới hạn trên đặc trưng cho các loại nguồn điện cao cấp

Để tiện cho việc sử dụng, người ta cịn dùng khái niệm hiệu suất Coulomb để chỉ hiệu

suất phĩng/ nạp: Hiệu suất Coulomb = p p

n n

Dung lượng phóng = I tDung lượng nạp = I t (14)Nếu chọn Ip = In và theo dõi thời gian tp cho đến Vd quy định thì hiệu suất Coulomb củanguồn điện hĩa học dao động từ 70 … 90%

Hình 14: Mối quan hệ giữa vật liệu làm điện cực với đặc tính kỹ thuật của nguồn điện

Bảng 2: Giới thiệu các nguồn điện hóa học truyền thống được sử dụng phổ biến nhất

Hệ Chất điện ly Điện thế làm

việc [V]

Mật độ năng lượng [Wh/l] [Wh/kg]

KOH

1.3 – 0.91.3 – 0.91.4 – 0.9

100140350

6575120

kim loại Lithi thuần làm các điện cực Dù vậy, do Lithi là một kim loại hoạt động mạnh nênkhi tiếp xúc với không khí dễ dàng xảy ra các phản ứng hóa học gây nguy hiểm Chính vì vậy,

mô hình pin dùng Lithi thuần làm cực dương đã không được chấp nhận Cùng thời gian này, J

O Besenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa thanchì và catot bằng oxit kim loại

Tiếp theo vào năm 1979 tại Đại học Oxford, John Goodenough và Koichi Mizushima đãchế tạo một loại pin sạc tạo ra dòng khoảng 4V sử dụng Lithi Cobalt Oxide (LiCoO2) làm cựcdương và Lithi thuần làm cực âm LiCoO2 là một chất dẫn điện tích điện dương với tính ổnđịnh cao nên có thể cung cấp các ion Lithi nhằm tạo ra dòng điện Khả năng này đã mở ra triểnvọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho các thế hệ pin hoàn toàn mới có thể sạc lại một cách

Đến năm 1983, Michael M Thackeray, Goodnewa và các cộng sự đã xác định có thểdùng khoáng chất Mangan Spinen để chế tạo cực dương cho pin Li-ion Đây là loại khoángchất có tính dẫn điện tốt, giá thành rẻ và hoạt động ổn định Tuy vẫn còn nhược điểm là bị tiêuhao dần trong quá trình sạc nhưng vẫn có thể khắc phục bằng các biện pháp chỉnh sửa hóa học.Cho đến năm 2013, Mangan Spinen vẫn tiếp tục được sử dụng cho các thế hệ pin Li-ionthương mại

Vào năm 1985, Akira Yoshino lắp ráp mô hình pin đầu tiên dựa trên tất cả các yếu tốthành công từ trước, sử dụng vậy liệu cacbonate giúp giữ các ion Lithi trong 1 điện cực giúpLiCoO2 bền vững trong không khí hơn Chính vì lý do này, thế hệ pin Li-ion đã được hoàn

thiện và an toàn hơn rất nhiều so với trước đây

Năm 1991, tập đoàn điện tử Sony chính thức thương mại hóa pin Li-ion dưới quy môsản xuất công nghiệp Cho đến nay, hầu hết các hoạt động nghiên cứu đều xoay quanh việc cảithiện hiệu suất của pin Li-on Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, máytính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và các thiết bị y tế, pin Li-ion hiện nay cònđược sử dụng cho xe điện Đây là thế hệ pin đáng chú ý nhất tính đến thời điểm hiện tại do cómức lưu trữ năng lượng riêng cao, thiết kế đơn giản, hiệu suất cao, cho dòng ổn định, chi phíbảo trì thấp và khá thân thiện với môi trường

Tiếp theo đó là sự kiện công ty Bellcore chính thức thương mại hóa pin Li-ion Polymervào năm 1994 sau quá trình nghiên cứu Bước tiếp theo là pin sự xuất hiện của pin li-ion vớicatot bằng mangan, pin li-phosphate được các nhà khoa học liên tục cải tiến và hoàn thiện đểchính thức thương mại hóa Các nhà khoa học dự đoán tiếp theo sẽ là sự ra đời của những thế

hệ pin phát triển dựa trên tiến bộ của công nghệ nano giúp tăng cường hiệu suất cũng như kíchthước và tuổi thọ của pin

2.1.2 Ứng dụng của pin Lithi-ion

Pin Li-ion cung cấp nguồn năng lượng cao có trọng lượng nhẹ và mật độ cao cho nhiềuloại thiết bị Để sử dụng các thiết bị lớn hơn, chẳng hạn như xe điện, kết nối nhiều pin nhỏtrong một mạch song song có hiệu quả hơn là kết nối một pin lớn Các thiết bị như vậy baogồm:

Thiết bị di động: bao gồm điện thoại di động và điện thoại thông minh, máy tính xáchtay và máy tính bảng, máy ảnh kỹ thuật số và máy quay video, thuốc lá điện tử, bàn chơi gamecầm tay và đèn pin

Dụng cụ điện: Pin Li-ion được sử dụng trong các công cụ như máy khoan không dây,máy cưa và các thiết bị làm vườn khác nhau bao gồm cả máy kéo và máy cắt cỏ

Xe điện: Do các loại pin Li-ion có trọng lượng nhẹ được sử dụng để điều khiển nhiềuloại xe điện như máy bay, xe điện, xe hybrid, xe lăn điện nâng cao, các mô hình điều khiển vôtuyến, mô hình máy bay và tàu tuần dương Mars Curiosity

Pin Li-ion được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông Pin Lithi không dung sạc thứcấp cung cấp điện dự phòng đáng tin cậy để sạc thiết bị nằm trong môi trường mạng của nhàcung cấp dịch vụ viễn thông điển hình Các loại pin Li-ion phù hợp với các tiêu chí kỹ thuật cụthể được khuyến cáo sử dụng trong nhà máy bên ngoài (OSP) tại các địa điểm như Phòng kiểmsoát Môi trường (CEVs), Thiết bị Tủ điện tử (EEEs),…

2.1.3 Các loại pin Lithi – ion

Pin Lithium Cobalt Oxide (LiCoO 2 )

Năng lượng đặc biệt cao của nó làm cho Li-cobalt trở thành sự lựa chọn phổ biến chođiện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh số Pin bao gồm catot làm bằng LithiumCobalt Oxide và anot làm bằng cacbon than chì Catot có cấu trúc lớp và trong quá trình phóngđiện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi

sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot) Hình 1 minh hoạ cấu trúc của pin Li-cobalt

Hình 15: Cấu trúc của Li-cobalt

Catot có cấu trúc lớp, trong quá trình phóng điện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi

sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot)

Nguồn: Courtesy of Cadex

Hạn chế của pin Li-cobalt là tuổi thọ tương đối ngắn, độ ổn định nhiệt thấp và khả năngchịu tải giới hạn Pin Li-cobalt các loại pin khác mới hơn bao gồm niken, mangan và / hoặcnhôm đang được phát triển và để cải thiện tuổi thọ, khả năng chịu tải và chi phí

Pin Li-cobalt không được sạc và xả ở mức hiện tại cao hơn mức đánh giá C (C-rating)của nó Điều này có nghĩa là một tế bào 18650 với 2.400mAh chỉ có thể được sạc và xả ở2.400mA Việc sạc nhanh hoặc áp dụng một tải hơn 2.400mA gây quá nóng và tăng tải quámức Để đạt được tốc độ sạc nhanh tối ưu, nhà sản xuất khuyến cáo tốc độ C là 0.8C hoặckhoảng 2000mA Mạch bảo vệ pin bắt buộc giới hạn mức phí và tốc độ xả tới mức an toànkhoảng 1C đối với pin năng lượng

Hình ảnh nhện hình lục giác (hình 27) tóm tắt hiệu suất của Li-cobalt về năng lượng

riêng (specific energy) hoặc lượng điện lưu trữ có liên quan đến thời gian chạy; Công suất riêng (specific power ) hoặc khả năng cung cấp dòng điện cao; An toàn (safety); Hoạt động

(hoạt động) ở nhiệt độ nóng và lạnh; tuổi thọ (life pan) phản ánh chu kỳ làm việc và tuổi thọ;

và chi phí Các đặc tính khác không được hiển thị trong mạng lưới nhện là độc tính, khả năngsạc nhanh, tự xả và thời hạn sử dụng

Hình 16: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-cobalt

Pin Li-Cobalt có năng lượng riêng cao nhưng côngsuất riêng, độ an toàn và tuổi thọ trung bình

Nguồn: Courtesy of Cadex

Bảng 3: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Cobalt Oxide

Lithium Cobalt Oxide: Catot: LiCoO2(~60% Co), anot: graphite Dạng rút gọn: LCO or Li-cobalt, từ năm 1991

Điện áp 3.60V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell

Năng lượng riêng 150–200Wh/kg Các tế bào đặc biệt cung cấp lên đến 240Wh /

kgSạc (C-rate) 0.7–1C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào); sạc trong 3 giờ

Dòng điện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin

Xả (C-rate) 1C; trên 2.V sẽ cắt Dòng điện xả trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ

của pin

Chu kỳ sạc-xả 500–1000 lần, liên quan đến xả sâu, tải, nhiệt độ

Thoát nhiệt 150°C (302°F) Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt

Ứng dụng Điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy ảnhĐánh giá Năng lượng cao, hạn chế về công suất, sử dụng như các tế bào

năng lượng, giá thành của cobalt đắt, thị phần đã ổn định

Pin Lithium Mangan Oxide (LiMn 2 O 4 )

Pin Li-ion với spinel mangan lần đầu tiên được công bố trong Bản tin nghiên cứu Vậtliệu năm 1983 Năm 1996, Moli Energy đã thương mại hóa một tế bào Li-ion với oxit manganLithi làm vật liệu catot Kiến trúc tạo thành một cấu trúc spinel ba chiều cải thiện luồng iontrên điện cực, dẫn đến việc điện trở nội bộ thấp hơn và cải tiến việc xử lý hiện tại Một lợi thếnữa của spinel là ổn định nhiệt độ cao và tăng cường độ an toàn, nhưng chu kỳ và tuổi thọ rấthạn chế

Điện trở trong tế bào nội vi thấp cho phép sạc nhanh và xả điện cao Trong gói 18650,pin Li-mangan có thể được thải ra ở dòng 20-30A với nhiệt độ tích tụ vừa phải Cũng có thể ápdụng xung tải một giây lên đến 50A Một tải liên tục cao ở dòng điện này sẽ gây ra sự tích tụnhiệt và nhiệt độ của tế bào không thể vượt quá 80 ° C (176 ° F) Pin Li-mangan được sử dụngcho các dụng cụ điện, dụng cụ y tế, cũng như xe hybrid và điện.

Hình 28 minh họa việc hình thành một khuôn hình tinh thể ba chiều trên cực âm của pinLi-mangan Cấu trúc spinel, thường bao gồm các hình dạng kim cương kết nối vào mạng tinhthể, xuất hiện sau khi hình thành ban đầu

Hình 17: Cấu trúc Li-mangan.

Sự hình thành tinh thể catot của oxit mangan Lithi có cấu trúc khung ba chiều xuất hiện sau khi hình thành ban đầu Spinel cung cấp điện trở thấp nhưng có năng lượng riêng trung bình

hơn cobalt Nguồn: Courtesy of Cadex

Pin Li-mangan có năng suất thấp hơn một phần ba so với Pin Li-cobalt Tính linh hoạtcủa thiết kế cho phép các kỹ sư tối đa hóa tuổi thọ pin, dòng điện tải tối đa (công suất riêng)hoặc công suất cao (năng lượng riêng) Ví dụ, phiên bản cuộc đời dài trong tế bào 18650 cócông suất vừa phải chỉ có công suất trung bình là1.100mAh; phiên bản công suất cao là1.500mAh

Hình 29 cho thấy mạng nhện của một pin Li-mangan điển hình Những đặc điểm nàyxuất hiện ít nhưng thiết kế mới hơn đã được cải thiện về mặt sức mạnh, an toàn và tuổi thọ cụthể Pin Li-Mangan tinh khiết không còn phổ biến ngày nay; chúng chỉ có thể được sử dụngcho các ứng dụng đặc biệt

Hình 18: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-mangan tinh khiết

Mặc dù hiệu suất tổng thể trung bình, thiết kế mới hơn của Li-mangan mang lại những cải tiến

về công suất, an toàn và tuổi thọ cụ thể

Nguồn: Boston Consulting Group

Hầu hết Li-mangan trộn với oxit cobalt mangan niken (NMC) Lithi để cải thiện nănglượng riêng và kéo dài tuổi thọ Sự kết hợp này mang lại sự tốt nhất trong mỗi hệ thống, vàLMO (NMC) được chọn cho hầu hết các loại xe điện, chẳng hạn như Nissan Leaf, Chevy Volt

và BMW i3 Phần LMO của pin, có thể khoảng 30%, cung cấp tăng tốc hiện tại cao; PhầnNMC cho phép tầm lái dài

Nghiên cứu pin Li-ion hấp dẫn rất nhiều trong việc kết hợp Li-mangan với coban,niken, mangan và / hoặc nhôm làm vật liệu catốt hoạt động Trong một số kiến trúc, một lượng

nhỏ silic được thêm vào cực dương Điều này cung cấp tăng 25% công suất; tuy nhiên, việctăng này được thường kết nối với một chu kỳ làm việc ngắn hơn.

Ba kim loại hoạt động, cũng như việc tăng cường silicon có thể được lựa chọn thuậntiện để tăng năng lượng riêng (công suất), công suất riêng (khả năng tải) hoặc tuổi thọ Mặc dùpin tiêu dùng có dung lượng cao, các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hệ thống pin có khả năngtải tốt, cung cấp một tuổi thọ lâu dài và cung cấp dịch vụ an toàn và đáng tin cậy

Bảng 4: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Manganese Oxide

Lithi Manganese Oxide: catot: LiMn2O4; anot: graphite

Dạng rút gọn: LMO or Li-manganese (cấu trúc spinel); Từ năm 1996

Điện áp 3.70V (3.80V) danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cellNăng lượng riêng 100–150Wh/kg

Sạc (C-rate) 0.7–1C, cao nhất: 3C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào)

Xả (C-rate) 1C; có thể là 10C đối với một vài tế bào, 30C xung (5s), 2.50V

sẽ cắtChu kỳ sạc-xả 300–700 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt 250°C (482°F) Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt

Ứng dụng Dụng cụ điện, thiết bị y tế, hệ thống truyền động điện

Đánh giá Năng lượng cao nhưng công suất thấp; an toàn hơn Pin

Li-cobalt; thường trộn lẫn với NMC để cải thiện hiệu suất

Pin Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 hoặc NMC)

Một trong những hệ thống pin Li-ion thành công nhất là một sự kết hợp catốt củanickel-mangan-cobalt (NMC) Tương tự như Li-mangan, các hệ thống này có thể được điềuchỉnh để phục vụ như là các tế bào năng lượng hoặc các tế bào điện năng Ví dụ, NMC trongmột tế bào 18650 cho điều kiện tải trung bình có công suất khoảng 2.800 mAh và có thể cungcấp 4A đến 5A; NMC trong cùng một tế bào được tối ưu hóa cho điện cụ thể có công suất chỉkhoảng 2.000 mWh nhưng cung cấp một dòng chảy xả liên tục của 20A Một anot nền silicon

sẽ tăng lên đến 4.000mAh và cao hơn nhưng ở khả năng tải giảm và tuổi thọ ngắn hơn Siliconđược thêm vào graphite có nhược điểm là anot phát triển và thu hẹp với việc sạc và xả, làmcho tế bào không ổn định về mặt cơ học

Bí mật của NMC nằm trong việc kết hợp niken và mangan Một ví dụ tương tự của điềunày là muối ăn, trong đó các thành phần chính, natri và clorua (có sự độc hại riêng), nhưngtrộn chúng làm gia vị muối và thức ăn gia cầm Nickel được biết đến với năng lượng đặc trưngcao nhưng sự ổn định kém; Mangan có lợi ích trong việc tạo thành cấu trúc spinel để đạt đượcđiện trở nội tại thấp nhưng cung cấp năng lượng riêng thấp Kết hợp các kim loại tăng cườngsức mạnh của nhau

NMC là pin được lựa chọn cho các công cụ điện, xe đạp điện và các hệ thống điện khác

Sự kết hợp để làm catot thường là niken nano : mangan : cobalt, với tỉ lệ 1:1:1 Điều này cungcấp một sự pha trộn độc đáo mà cũng làm giảm chi phí nguyên vật liệu do giảm hàm lượngcobalt Một thành công khác là NCM với 5 phần niken, 3 phần coban và 2 phần mangan Cóthể kết hợp thêm bằng cách sử dụng một số lượng vật liệu catot khác nhau Chất điện phân và

chất phụ gia mới có thể sạc tới 4.4V / ô và cao hơn để tăng công suất Hình 7 thể hiện các đặctính của NMC.

Hình 19: Tóm tắt hiệu suất của NMC.

NMC có hiệu suất tổng thể tốt và vượt trội

về năng lượng riêng Pin này là ứng cử viên được ưa thích cho xe điện và có tỷ lệ tự gia nhiệt thấp nhất

Nguồn: Boston Consulting Group

Có một động thái hướng đến Li-ion kết hợp với NMC vì hệ thống có thể được xây dựng

về mặt kinh tế và đạt được hiệu suất tốt Ba chất hoạt tính của niken, mangan và coban có thể

dễ dàng pha trộn cho phù hợp với nhiều ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng và ô tô(EES) cần phải đi xe đạp thường xuyên

Bảng 5: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2 - catot, graphite – anot

Dạng rút gọn: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN - tương tự với các kết hợp kim loại khác nhau) Từ năm 2008

Điện áp 3.60V, danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell, hoặc cao

hơnNăng lượng riêng 150–220Wh/kg

Sạc (C-rate) 0.7–1C, sạc đến 4.20V, có một số có thể sạc đến 4.30V; sạc

trong 3 giờ Dòng điện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin

Xả (C-rate) 1C; một số tế bào có thể đến 2C; 2.50V sẽ cắt

Chu kỳ sạc-xả 1000–2000 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt 210°C (410°F) Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt

Ứng dụng Xe đạp điện, thiết bị y tế, công nghiệp

Đánh giá Cung cấp năng lượng cao và công suất cao Sử dụng nhiều mục

đích trong hóa học Thị phần đang gia tăng

Pin Lithium Sắt Phốt phát (LiFePO 4 )

Năm 1996, Đại học Texas và các cộng tác viên khác đã phát hiện ra chất phosphate làmvật liệu catot cho pin Lithi có thể sạc lại Pin Li-phosphate mang lại hiệu năng điện hóa tốt vớiđiện trở thấp Điều này được thực hiện bằng vật liệu catot phosphate có kích thước nano Cáclợi ích chính là tốc độ dòng cao và tuổi thọ dài, bên cạnh đó là sự sự ổn định nhiệt tốt, tăngcường an toàn

Pin Li-phosphat chịu được điều kiện đầy đủ và ít bị quá tải hơn các hệ thống Lithi-ionkhác nếu giữ ở điện áp cao trong một thời gian dài Là một sự cân bằng, điện áp danh định

dưới 3.2V / cell làm giảm năng lượng riêng dưới mức Lithi-ion cobalt Với hầu hết pin, nhiệt

độ lạnh giảm hiệu suất và nhiệt độ cất cao làm giảm tuổi thọ, và pin Li-phosphate cũng khôngphải là ngoại lệ pin Li-phosphate có lượng tự xả cao hơn các loại pin Li-ion khác, có thể gây

ra sự cân bằng giữa lão hóa Sự cẩn trọng trong sản xuất có tầm quan trọng đối với tuổi thọ Độ

ẩm gây ảnh hưởng không tốt đến pin vì vậy pin sẽ chỉ phân phối 50 chu kỳ Hình 9 tóm tắt cácthuộc tính của pin Li-phosphate

Hình 20: Tóm tắt hiệu suất của của pin phosphate điển hình.

Li-Pin Li-phosphate có độ an toàn và tuổi thọ cao nhưng năng lượng riêng vừa phải và sự tự xả cao

Nguồn: Courtesy of Cadex

Pin Li-phosphate thường được sử dụng để thay thế pin chì khởi động Bốn tế bào trongloạt sản xuất 12.80V, một điện áp tương tự tới sáu pin chì axit 2V trong chuỗi Các phương tiệnsạc chì axit đến 14.40V (2.40V / cell) và duy trì một quá trình sạc cao Với bốn pin Li-phosphate liên tiếp, mỗi tế bào đều có điện áp 3,60 V, đây là điện áp đầy đủ cần thiết Tại thờiđiểm này, quá trình sạc phải được ngắt kết nối nhưng một quá trình sạc vẫn tiếp tục trong khilái xe Pin Li-phosphate có khả năng chịu đựng được việc sạc quá mức; Tuy nhiên, giữ điện áp

ở 14.40V trong một thời gian dài, như hầu hết các xe chạy trên một thời gian dài, có thể ảnhhưởng đến chất lượng pin Li-phosphate Hoạt động của nhiệt độ lạnh bắt đầu cũng có thể làmột vấn đề với Li-phosphate như một pin khởi động

Bảng 6: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Iron Phosphate

Lithium Iron Phosphate: LiFePO4 - catot, graphite - anot Dạn rút gọn: LFP or Li-phosphate; Từ năm 1996

Điện áp 3.20, 3.30V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 2.5–3.65V/cellNăng lượng riêng 90–120Wh/kg

Sạc (C-rate) 1C, sạc tới to 3.65V; sạc trong 3 giờ

Xả (C-rate) 1C, 25C trên một vài tế bào; 40A xung (2s); 2.50V sẽ cắt (thấp

hơn 2V sẽ gây nguy hiểm)Chu kỳ sạc-xả 1000–2000 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt 270°C (518°F); rất an toàn khi được sạc đầy

Ứng dụng Máy di động và văn phòng cần dòng điện và độ bền cao

Đánh giá Đường cong xả điện áp rất phẳng nhưng công suất thấp Một

trong những loại pin Li-ion an toàn nhất Được sử dụng cho cácthị trường đặc biệt Tự xả cao

Pin Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO 2 )

Pin Lithium niken cobalt nhôm oxide, hoặc NCA, đã được sử dụng từ năm 1999 cho các ứngdụng đặc biệt Nó giống như NMC, cung cấp năng lượng riêng cao, công suất riêng cao và tuổithọ dài Hình 11 tóm tắt sáu đặc điểm chính NCA là một sự phát triển hơn nữa của oxit Lithinikel; cộng thêm nhôm đã cung cấp cho sự ổn định hóa học lớn hơn

Hình 21: Tóm tắt hiệu suất của NCA.

Mật độ năng lượng và công suất cao, cũng như tuổithọ tốt, làm cho NCA trở thành ứng cử viên cho hệ thống truyền động EV Chi phí cao và an toàn biên

là những tiêu cực Nguồn: Courtesy of Cadex

Bảng 7: Tóm tắt đặc tính của pin Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoAlO2 - catot (~9% Co), graphite - anot Dạng rút gọn: NCA or Li-aluminum Từ năm 1999

Điện áp 3.60V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell

Năng lượng riêng 200-260Wh/kg; 300Wh/kg có thể dự đoán

Sạc (C-rate) 0.7C, Sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào), sạc trong 3 giờ, một

số tế bào có thể sạc nhanh

Xả (C-rate) 1C; 3.00V sẽ cắt; tốc độ xả cao sẽ làm giảm tuổi thọ pin

Chu kỳ sạc-xả 500 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ)

Thoát nhiệt 150°C (302°F) typical, Quá trình sạc nhanh thúc đẩy sự thoát

nhiệt

Ứng dụng Thiết bị y tế, công nghiệp, hệ thống truyền động điện

Đánh giá Tính chất tương đồng với Li-cobalt Phục vụ như tế bào năng

lượng

Pin Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 )

Pin với anot bằng Lithium titanate đã được biết đến từ những năm 1980 Li-titanat thaythế graphite trong cực âm (anot) của pin Lithi-ion điển hình và vật liệu tạo thành cấu trúcspinel Các cực dương (catot) có thể là oxit mangan Lithi hoặc NMC Pin Li-titanate có điệnthế danh định là 2.40V, có thể được sạc nhanh và cung cấp dòng điện xả cao 10C, hoặc gấp 10lần công suất định mức Số lượng chu kỳ được cho là cao hơn so với Li-ion thông thường Li-titanat an toàn, có đặc tính phóng điện cực tốt ở nhiệt độ thấp và đạt được công suất 80% ở-30°C (-22°F) Tuy nhiên, pin có giá thành đắt và ở 65Wh / kg có năng lượng riêng thấp PinLi-titanate sạc đến 2.80V / tế bào, và kết thúc xả là 1.80V / tế bào Hình 13 minh họa các đặctính của pin Li-titanate Sử dụng điển hình là các hệ thống điện, UPS và chiếu sáng đường phốchạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 22: Tóm tắt hiệu suất của pin Li-titanate.

Pin Li-titanate vượt trội về độ an toàn, hoạt động

ở nhiệt độ thấp và tuổi thọ Các nỗ lực đang đượcthực hiện để cải thiện năng lượng riêng và chi phí

thấp hơn Nguồn: Boston Consulting Group

Bảng 8: Tóm tắt đặc tính của pin Lithi Titanate

Lithium Titanate: Catot có thể Lithium manganese oxide or NMC; anot: Li4Ti5O12 (titanate)Dạng rút gọn: LTO or Li-titanate Được thương mại hóa từ khoảng năm 2008

Voltages 2.40V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 1.8–2.85V/cell

Specific energy (capacity) 70–80Wh/kg

Charge (C-rate) 1C thông thường; cao nhất là 5C, sạc đếb 2.85V

Discharge (C-rate) Có thể: 10C, 30C xung (5s); 1.80V sẽ cắt trên LCO/LTOCycle life 3,000–7,000 lần

Thermal runaway Một trong những pin Li-ion an toàn nhất

Applications UPS, hệ thống truyền động điện powertrain, Chiếu sáng đường

phố bằng năng lượng mặt trờiComments Tuổi thọ cao, sạc nhanh, phạm vi nhiệt độ rộng nhưng năng

lượng riêng thấp và đắt tiền Là một trong số các pin Li-ion antoàn nhất

Hình 34 so sánh

năng lượng riêng của các

hệ thống dựa trên chì,

niken và Lithi Trong khi

Li-nhôm (NCA) có ưu

nhưng loại pin này tồn tại lâu hơn hầu hết các loại pin khác về tuổi thọ và cũng có hiệu suất ởnhiệt độ lạnh tốt nhất Động cơ chạy bằng điện, độ an toàn và vòng đời sẽ đạt được sự vượt trội

Hình 23: Năng lượng riêng điển hình của pin chì, niken và Lithi.

Nguồn: Courtesy of Cadex

Bảng 9: Tóm tắt các đặc tính của các pin Li-ion chính.

Lithium Cobalt Oxide

Lithium Manganese Oxide

Lithium Nickel Manganese

Lithium Iron Phosphate

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide

Lithium Titanate

300–700 lần 1000–2000

lần

1000–2000lần

500 lần 3,000–7,000

lần

Thoát nhiệt

150°C (caohơn khirỗng)

250°C(cao hơn khirỗng)

210°C(cao hơn khirỗng)

270°C (antoàn khi sạcđầy)

150°C (cao hơnkhi rỗng)

Một trongnhững pinLi-on antoàn nhẩ

Bảo trì Giữ mát, lưu trữ một phần sạc, ngăn ngừa những chu kỳ sạc đầy, sử dụng dòng điện sạc và

xả vừa phải

Lithium Cobalt Oxide

Lithium Manganese Oxide

Lithium Nickel Manganese

Lithium Iron Phosphate

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide

Lithium Titanate

Đóng gói

điển hình

18650,lăng trụ vàtúi tế bào

lăng trụ 18650, lăng

trụ và túi tếbào

26650, lăngtrụ

18650 lăng trụ

Lịch sử phát

hiện

1991(Sony)

Ứng dụng

Điện thoại

di động, máy tính bảng, máytính xác tay, máy ảnh

Dụng cụ điện,thiết bị y tế, dây dẫn điện

Xe đạp điện, thiết bị y tế, EVs, công nghiệp

Văn phòng phẩm với dòng điện cao và độ bền

Y tế, công nghiệp, EV (Tesla)

UPS, EV, chiếu sáng đường phố năng lượng mặt trời

Đánh giá

Nănglượng cao,hạn chế vềcông suất,thị phần đã

ổn định

Năng lượngcao nhưngcông suấtthấp; an toànhơn Pin Li-cobalt;

thường trộnlẫn với NMC

để cải thiệnhiệu suất

Cung cấpnăng lượngcao và côngsuất cao, thịphần đang giatăng

Đường cong

xả điện áprất phẳngnhưng côngsuất thấp

Rất an toàn

Tự xả cao

Tuổi thọ cao,sạc nhanh,phạm vi nhiệt

độ rộng nhưngnăng lượngriêng thấp vàđắt tiền

Tuổi thọcao, sạcnhanh,phạm vinhiệt độrộng nhưngnăng lượngriêng thấp

- Với cùng điều kiện nhiệt độ, pin Lithi-ion không đòi hỏi phải sạc đầy trước khi cất trữ

và thời gian lưu trữ dài hơn Với dụng lượng sạc 40% pin li-ion có thể được lưu trữ từ 12 đến

18 tháng ở nhiệt độ 0 - 25°C (nhiệt độ càng cao thời gian lưu trữ càng giảm)

- Phần năng lượng bị rò rỉ giảm tới gần 50%: các thế hệ pin cũ có tốc độ tự xả lên đến3%/ tháng thì pin Li-ion chỉ có 1,5% - 2%/ tháng