ĐỒ ÁN MÔN HỌC PIN LITHIUM

Có nhiều biện phápđược đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặttrời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạngđiện năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -o0o -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÌM HIỂU VỀ PIN LITHIUM

GVHD: Đặng Thanh Phong SVTH : Trần Đinh Đại Nhân LỚP : 07DHHH02

đề tài “TÌM HIỂU VỀ PIN LITHIUM”

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đặng Thanh Phong đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ kiếnthức cơ bản và sửa cho em những sai sót khi làm đồ án

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm sinh viên gồm : 1……… MSSV………

2……… MSSV…………

3……… MSSV………

Nhận xét : ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm đánh giá: ………

………

………

………

………

………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2014

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Danh sách hình ảnh Danh sách bảng biểu

Lí do chọn đề tài

Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn nănglượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại vàtrong tuơng lai của con người Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra cácnguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường Có nhiều biện phápđược đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặttrời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạngđiện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy Ngày nay, với sựphát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tửdẫn 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 nguồnnăng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần vàđặc biệt gọn nhẹ, an toàn Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêucầu trên Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp Nửađầu 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 NiMHđược thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ) Năm 2003 thị trường pin toàn cầuđoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởngđạt từ 6% 8%

Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trìnhkhoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chấtlượng 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’’

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LITHIUM 1.1 Quặng lithium

Liti (tiếng Latinh: Lithium) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoànnguyên tố có ký hiệu Li và số hiệu nguyên tử bằng 3, nguyên tử khối bằng 7 Liti là mộtkim loại mềm có màu trắng bạc thuộc

nhóm kim loại kiềm Trong điều kiện tiêu

chuẩn, Liti là kim loại nhẹ nhất và là

nguyên tố rắn có mật độ thấp nhất Giống

như tất cả các kim loại kiềm, Liti là chất

phản ứng mạnh và dễ cháy nên nó được

bảo quản đặc biệt trong dầu khoáng Liti

có ánh kim loại nhưng khi tiếp xúc với

không khí ẩm nó bị ăn mòn bề mặt và bị

chuyển màu nhanh chóng thành xám bạc

mờ, sau đó là xỉn đen Do có khả năng

phản ứng mạnh, Liti không bao giờ có

mặt ở dạng nguyên tố trong tự nhiên, do

vậy nó chỉ có ở dạng hợp chất ở dạng liên

kết ion Liti có mặt nhiều trong các khoáng

sản pegmatit, nhưng do tính dễ hòa tan ở dạng ion, nó cũng có mặt trong nước biển, vàthường được tách ra từ muối và đất sét Ở quy mô thương mại, liti được tách ra bằngphương pháp điện phân từ hỗn hợp của liti clorua và kali clorua [Wikipedia]

* PETALIT (LiAlSi4O10) được một nhà hóa học người BrazilJosé Bonifácio de Andrada

e Silvaphát hiện năm 1800 trong một mỏ trên đảo UtöThụy Điển.[Wikipedia]

*PETALITE (còn được gọi là castorite) là lithium aluminum tectosilicate

(LiAlSi4O10), một loại trong nhóm feldspar Một quặng lithium chủ yếu gồm spodumen,lepidolite và tourmaline tinh thể dạng cột và khối hình cột từ không màu đến xám hoặcvàng.[Wikipedia]

1.2 phân bố của lithium

Mặc dù liti phân bố rộng rãi trên Trái Đất, nó không xuất hiện tự nhiên ở dạng nguyên

tố do tính phản ứng cao của nó Tổng lượng liti trong nước biển là rất lớn, ước tínhkhoảng 230 tỉ tấn, tức nồng độ ổn định khoảng 0,14 đến 0,25 ppm, hay 25 micromol; hàmlượng cao hơn đạt đến 7ppm được tìm thấy trong các mạch nhiệt dịch [Wikipedia]

Hàm lượng liti trong vỏ Trái đất ước tính dao động trong khoảng 20 đến 70 ppm Liti

là một thành phần phủ trong các đá magma với hàm lượng cao nhất trong các đá granit.Các đá pegmatit cũng có hàm lượng liti lớn nhất ở dạng khoáng vật,với spodumene và petalite là các nguồn khai thác liti thương mại phổ biến Khoáng vật litiđáng kể khác là lepidolit Một nguồn liti mới là sét hectorit, các hoạt động khai thác chủyếu thông qua công ty Western Lithium Corporation ở Hoa Kỳ Với hàm lượng 20 mgliti/kg trong vỏ trái đất,] liti là nguyên tố phổ biến thứ 25 [Wikipedia]

Theo cẩm nang Liti và Canxi tự nhiên, "Liti là một nguyên tố tương đối hiếm, mặc dù nóđược tìm thấy trong nhiều khối đá và một vài vùng nước mặn, nhưng luôn ở nồng độ rất

Hình 1.1 Liti nổi trong parafin

thấp Có một số lượng khá lớn của cả khoáng liti và mỏ muối nhưng chỉ một ít trong sốchúng thực sự hoặc có tiềm năng giá trị thương phẩm [Wikipedia]

Trong những nơi có trữ lượng liti lớn nhấtlà Salar de Uyuni ở Bolivia, với trữ lượng 5,4triệu tấn USGS ước tính năm 2010, Chile có trữ lượng lớn nhất (7,5 triệu tấn) và sảnlựong hàng năm cao nhất (8.800 tấn) Các nhà cung cấp chính khác như Úc, Argentina vàTrung Quốc Tính đến năm 2015, một Khảo sát địa chất tại cộng hòa Séc coi toàn bộ Dãynúi Quặng tại Cộng hòa Séc là khu vực liti Năm mỏ đã được đăng ký, một mỏ

gần Cínovec được coi là mỏ kinh tế tiềm năng với 160 000 tấn liti [Wikipedia].

Tháng 06 năm 2010, New York Times đưa ra thông báo rằng các nhà địa chất Hoa Kỳ

đã tiến hành khảo sát vùng khô hạn của các hồ muối ở miền tây Afghanistan và tin rằng

có trữ lượng liti lớn nhất ở đây."Các quan chức Lầu Năm Góc cho rằng các phân tích banđầu của họ tại một địa điểm ở tỉnh Ghazni cho thấy tiềm năng tạo mỏ liti lớn cỡ mỏ ởBolivia, mà mỏ này hiện có trữ lượng liti lớn nhất đã được biết đến." Các ước tính này

"chỉ dựa trên dữ liệu cũ, được thu thập chủ yếu từ thời Liên Xô trong khi họ chiếm đóngAfghanistan giai đoạn 1979–1989" và "Stephen Peters, trưởng dự án khoáng sảnAfghanistan của USGS, cho rằng ông ta không ông biết về mối liên quan của USGS đếnbất kỳ cuộc thăm dò khoáng sản mới nào tại Afghanistan trong 2 năm qua 'Chúng tôicũng không chắc có bất kỳ phát hiện nào mới về liti." [Wikipedia]

1.3 Trữ lượng

Trữ lượng liti chắc

chắn năm 2008 theo ước

tính của USGS khoảng

13 triệu tấn, nhưng cực

kỳ khó để ước tính trữ

lượng tài nguyên liti trên

toàn cầu.[Wikipedia]

Mỏ Liti được tìm thấy ở

Nam Mỹ trong suốt dãy

núi Andes Chile là nhà

sản xuất hàng đầu, tiếp

theo là Argentina Cả hai

nước thu hồi Liti từ các

hồ nước mặn Ở Hoa Kỳ

Liti được thu hồi các hồ

nước mặn ở Nevada Tuy nhiên, phân nửa trữ lượng trên thế giới phân bố ở Bolivia, mộtquốc gia nằm ở sườn phía đông trung tâm dãy Andes Năm 2009, Bolivia đã thươnglượng với Nhật Bản, Pháp, và Hàm Quốc để bắt đầu khai thác Theo USGS, samạc Uyuni của Bolivia có trữ lượng 5,4 triệu tấn liti Một mỏ mới được phát hiện ở đớinâng Rock Springs ở Wyoming ước tính đạt 228.000 tấn Những mỏ cùng thành tạo nàyđược ngoại suy trữ lượng khoảng 18 triệu tấn [Wikipedia]

Hình 1.2 Biểu đồ trữ lượng mỏ liti các nước trên thế giới

(2014)

Sau dự tụt giảm giá quy mô công nghiệp của sản phẩm liti cacbonat sau cuộc khủnghoảng kinh tế lớn, nhiều nhà cung cấp chính như Sociedad Química y Minera (SQM) họ

đã giảm giá bán 20%trong việc khai thác các nguồn tài nguyên liti trong thời gian tới vàcũng để giữ vững thị trường của họ, giá năm 2012 tăng lên do nhu cầu liti tăng Bài báoBusiness Week năm 2012 đã nêu ra sự độc quyền về liti như sau: "SQM, được điều hànhbởi tỉ phú Julio Ponce, đứng vị trí thứ hai, sau Rockwood được chống lưng bởi HenryKravis thuộc KKR & Co., và FMC có trụ sở ở Philadelphia" Lượng tiêu thụ toàn cầu cóthể tăng lên 300.000 tấn vào năm 2020 từ khoảng 150.000 tấn năm 2012, vì nhu cầu sảnxuất pin liti đã và đang tăng với tỉ lệ 25% mỗi năm, tăng nhanh hơn 4-5% trong overallgain in lithium [Wikipedia]

Một nguồn liti tiềm năng khác là từ các giếng địa nhiệt Các dòng địa nhiệt cò thểmang các chất này lên trên bề mặt; việc thu hồi liti có thể được chứng minh trong lĩnh vựcnày Một khi liti được tách ra bằng các kỹ thuật lọc đơn giản, chi phí xử lý và môi trường

về cơ bản là đã bao gồm trong việc vận hành các giếng địa nhiệt này; do đó các tác độngcủa hoạt động này là tích cực [Wikipedia]

Có nhiều quan điểm khác nhau về sản xuất tiềm năng tăng trưởng sản xuất liti Mộtnghiên cứu năm 2008 đã kết luận rằng "việc sản xuất liticacbonat thực tế đạt được sẽ đủchỉ cho một phần nhỏ nhu cầu thị trường PHEV và EV toàn cầu trong tương lai", và "nhucầu từ phân khúc thị trường điện tử cầm tay sẽ tiêu thụ hầu hết trữ sản phẩm gia tăngtrong kế hoạch trong thập niên tới", và "việc sản xuất hàng loạt liti cacbonat không có vẻthân thiện môi trường, nó sẽ gây ra thiệt hại không thể khắc phục các hệ sinh thái sinhthái cần được bảo vệ và các động cơ đẩy LiIon là không phù hợp với các khái niệm về

1.4 Nhu cầu của lithium trên thế giới

Chỉ tính đến năm 2003, giá Lithium đã tăng gấp 3 lần Với nhu cầu sử dụng pin ngàycàng nhiều, ước tính đến năm 2020 thì sản

lượng Lithium phải tăng 125% để đáp ứng

được yêu cầu của thị trường Không những

thế, hiện nay đã bắt đầu xuất hiện sự thiếu

hụt nguồn cung cấp kim loại quý hiếm này

[Wikipedia]

1.3.1 Sứ và thủy tinh

Liti ôxít được sử dụng rộng rãi làm

chất tẩy trong việc xử lý silica, giảm

điểm nó ng chảy và độ nhớt của vật liệu

và làm men sứ trong việc cải thiện các

tính chất vật lý bao gồm các hệ số giãn nở nhiệt thấp Trên toàn cầu đây là ứng dụng đơnlớn nhất đối với hợp chất liti Liti cacbonat (Li2CO3) thường được sử dụng trong ứng dụngnày vì nó chuyển đổi oxit khi nung nóng [Wikipedia]

1.3.2 Điện và điện tử

Vào các năm cuối của thế kỷ XX, do sở hữu thế điện cao của nó, liti trở thành mộtthành phần quan trọng trong các chất điện phân và một trong các thành phần quan trọngtrong pin Do có khối lượng nguyên tử thấp, liti có tỉ lệ khối lượng tích điện và nănglượng cao Loại pin ion liti có thể tạo ra khoảng 3 vôn mỗi ô, so với 2,1 vôn đối với pinaxit chì hay 1,5 vôn đối với pin kẽm-cacbon Các pin ion liti, có thể sạc được và có mật

độ năng lượng cao, không thể nhầm lẫn với pin liti không thể sạc được Các loại pin sạckhác sử dụng liti như pin polymer ion liti, pin liti sắt phốtphat, và pin dây nano.[Wikipedia]

1.3.3 Chất bôi trơn

Ứng dụng phổ biến thứ ba của liti là làm các chất bôi trơn Liti hydroxit là một chấtbazo mạnh và khi nung với mỡ, nó tạo ra một loại xà phòng liti có tên là stearat Xàphòng liti có khả năng thicken oils, và nó được sử dụng để sản xuất các chất bôi trơn nhiệt

độ cao nhiều mục đích [Wikipedia]

1.3.4 Luyện kim

Liti (cũng như liti cacbonat) được dùng làm phụ gia trong hoạt động đúc liên tụctrong xỉ làm tăng tính linh động,chiếm khoảng 5% lượng liti toàn cầu (2011) Các hợpchất liti cũng được sử dụng làm phụ gia trong cát đúc cho hoạt động đúc sắt nhằm giảmveinin [Wikipedia]

Hình 1.3 Ước tính lượng tiêu thụ liti toàn cầu

năm 2011

Liti (ở dạng liti florua) được sử dụng làm phụ gia trong nấu chảy nhôm (công nghệHall–Héroult), làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng điện trở suất,nguồn này chiếm3% sản lượng toàn cầu năm 2011 Các hợp kim của liti với nhôm, cadmi, đồng

và mangan được sử dụng trong các bộ phần của máy bay (xem thêm hợp kim nhôm).Liti còn có hiệu quả trong việc hỗ trợ sự hoàn hảo của mối hàn silicon nano trongnhững thành phần điện tử cho pin điện và các thiết bị khác [Wikipedia]

liti-1.3.5 Hữu cơ và polyme hóa học

Hợp chất Organolithium được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polyme hóa học Trongngành công nghiệp polyme mà người tiêu dùng chi phối những hợp chất này, hợp chất litiankyl là chất xúc tác trong trùng hợp anionic của nhóm chức Anken Hợp chấtOrganolithium được chuẩn bị từ liti kim loại và alkyl halogenua [Wikipedia]

1.3.6 Y học

Các muối liti như cacbonat liti (Li2CO3), citrat liti và orotat liti là các chất ổn địnhthần kinh được sử dụng để điều trị các rối loạn lưỡng cực, vì không giống như phần lớncác loại thuốc ổn định thần kinh khác, chúng trung hòa cả hai sự cuồng và trầm cảm Liti

có thể được sử dụng để tăng thêm hiệu quả của các thuốc chống trầm cảm khác Lượng cóích của liti trong việc này thấp hơn so với mức có độc tính chỉ một chút, vì thế các nồng

độ của liti trong máu phải được kiểm soát kỹ trong quá trình điều trị Các muối liti có thểcủng giúp ít trong việc chẩn đoán liên quan như rối loạn schizoaffective và trầm cảm cóchu kỳ Phần tác dụng của muối này là ion liti Li+ Chúng có thể làm tăng nguy cơ pháttriển dị tật Ebstein ở trẻ sinh ra từ các phụ nữ uống liti trong ba tháng đầu của thai kỳ Liticũng được nghiên cứu với khả năng trị bệnh đau đầu từng chùm [Wikipedia]

1.3.7 Ứng dụng quân sự

Liti kim loại và hỗn hợp Hiđrua của nó

như Li[AlH4] được sử dụng làm chất phụ năng

lượng cao để đẩy tên lửa Li[AlH4] cũng có thể

tự chế thành nhiên liệu rắn Một quả ngư

lôi MK-50 chứa hệ thống năng lượng đẩy hóa

học (SCEPS) sử dụng một chiếc xe tăng nhỏ

chứa khí SF6 rải xuống một khối liti rắn Phản

ứng sau đó sinh nhiệt, tạo ra hơi nước để đẩy

ngư lôi trong một chu kì Rankine khép kín

Hiđrua liti chứa liti-6 được sử dụng trong vũ

khí nhiệt hạch để bọc thành lõi của bom hạt

nhân [Wikipedia]

1.3.8 Hạt nhân

Liti-6 có giá trị làm nguồn nguyên liệu để sảnxuất Triti và chất hấp thụnơtron trong phản ứng tổng hợp hạt nhân Liti tự nhiên chứa khoảng 7.5% liti-6, từ đómột lượng lớn liti-6 được sản xuất bằng phép tách đồng vị để sử dụng trong vũ khí hạtnhân Liti-7 cũng được quan tâm để sử dụng trong chất lỏng của lò phản ứng hạt nhân.Tritium hòa lẫn với hyđro nặng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ mang tính tương

Hình 1.4 Ngư lôi sử dụng nguồn

nguyên liệu từ liti

đối để sinh ra sản phẩm Mặc dù các chi tiết được giữ bí mật, hyđro liti-6 nặng dường nhưvẫn có một vai trò làm vật liệu nhiệt hạch trong các vũ khí hạt nhân hiện đại [Wikipedia].

Florid liti có tính hóa học ổn định khác thường và hỗn hợp LiF-BeF2 đạt độ nóngchảy thấp Ngoài ra, 7Li, Be và F là một trong số ít các nuclid với những mặt cắt ngangnhiệt nơtronthấp vừa đủ để không đầu độc các phản ứng phân hạt nhân bên trong một lòphản ứng phân hạt nhân Liti cũng được sử dụng làm nguyên liệu cho hạt alpha hoặc hạtnhân heli Khi 7Li bởi các proton tăng tốc hình thành từ 8Be, nó trải qua quá trình phânhạch để tạo nên hai hạt alpha Chiến công này do Cockroft và Walton phát hiện năm 1932,được gọi là "tách nguyên tử vào thời điểm đó, đồng thời là phản ứng hạt nhân đầu tiênhoàn toàn do con người thực hiện Các lò phản ứng sử dụng pin liti để chống lại nhữngtác động ăn mòn từ Axit boric, chất được đưa vào nước để hấp thụ nơtron dư thừa.[Wikipedia]

2.1 Pin Lithium

Pin Lithium ion là một loại pin thứ cấp Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sửdụng 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, nhưLithium Cobalt Oxide (LiCoO2), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như LithiumManganese Oxide ( LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm Vật liệu làm điệncực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực gópđiện Trong quá trình nạp/phóng điện, những ion Li+ được điền vào hoặc tách ra từ khe hởgiữa 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 LiCoO2, như vật liệu làm điện cực dương LiCoO2 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 LiMn2O4 hoặcLiNi1-xCoxO2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tínhnăng được cải tiến Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩmđầu 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 đầunhững năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm Lợi nhuận thuđược khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thịtrường 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 antoàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm

[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn]

Hình 2.5 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 trênmột mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứngdụng 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

650C) 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 2.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.

-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

-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

-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

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 chất lượng tốt hơn, giá thành rẻhơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp

2.2 Phân loại

2.2.1 Lithium Cobalt Oxide(LiCoO 2 )

Đây là loại pin Lithium mà có một độ năng lượng cao nhất Nó được sử dụng rộng

rãi cho điện thoại, máy ảnh, laptop Pin gồm oxit Colbat ở cực âm và một graphite carbon

ở cực dương Cực âm có cấu trúc theo lớp và trong quá trình xả, lithium ions sẽ di chuyển

từ cực dương tới cực âm Quá trình di chyển theo chiều ngược lại khi ta sạc pin Nhượcđiểm Li-cobalt hiện đang được thay bổ sung thêm các hóa chất như mới hơn như nickel,manganese hoặc nhôm để cải thiện tuổi thọ, tăng khả năng xả và giảm giá thành

Các pin Li-cobalt này không nên sạc và xả quá giới hạn dung lượng của nó Tức lànếu 1 pin 18650 với dung lượng 2,400mAh chỉ nên sạc/xả tối đa ở 2,400mA Sạc/xả caohơn giá trị này sẽ dẫn tới tăng nhiệt độ pin và gây nên sức ép lớp lên cell pin Các nhà sảnxuất thường khuyến cáo sạc/xả tối đa ở tầm 0.8C – 80% dung lượng Với pin 2400mAh ởtrên thì nên sạc/xả tối đa không quá 2,000mA.Thường các pin này có thể được bổ sungthêm các mạch bảo vệ để năng pin không bị sạc/xả quá 1C [Nguyễn Thế Khôi, NguyễnHữu Minh - Vật lí Chất rắn]

2.2.2 Lithium Manganese Oxide (LiMn 2 O 4 )

Li-ion được bổ sung thêm Mangan – manganese lần đầu tiên được giới thiệu

tại Materials Research Bulletin vào 1983 vào năm 1996, Moli Energy đã đưa ra sản phẩm

thương mại đầu tiên là cell Li-ion với lithium manganese oxide dùng làm cực âm Kiếntrúc tại ra một rãnh xoắn 3 chiều làm tăng dòng chảy của ion Cách làm như vậy làm giảmnội trở của pin và cải thiện chất lượng dòng xả Ưu điểm nữa của rãnh xoắn là ổn định bởinhiệt độ, cải thiện độ an toàn, tuy nhiên tuổi thọ lại không cao

Nội trở thấp cho phép cell sạc nhanh và có thể xả ở dòng lớn Các cell Li-manganesetrong bộ pin 18650 có thể xả tới 20–30A mà nhiệt độ tỏa ra ở mức bình thường, đồng thời

xả đỉnh tối đa (trong một vài giây) có thể tới 50A Xả liên tục với dòng xả lớn trong thờigian dài có thể làn cho nhiệt độ sử dụng tăng Nhiệt độ sử dụng của pin phải không đượcvượt quá 80°C (176°F) Li-manganese được sử dụng cho các công cụ cần nguồn nănglượng lớn, công suất xả cao, các thiết bị y tế, và các xe điện Li-manganese có dung lượngnhỏ hơn 1/3 so với pin Li-cobalt Thiết kế linh hoạt cho phép kỹ sư có thể dễ dàng tối ưupin theo một trong các tiêu chí như tuổi thọ, hoặc dòng xả hoặc dung lượng Ví dụ pin

18650 với có tuổi thọ lớn thì dung lượng khoảng 1100mAh, với dung lượng cao thì cỡ1,500mAh

Hầu hết các pin Li-manganese được bổ sung thêm lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) để cải thiện dung lượng, và tăng tuổi thọ Sự kết hợp này mang đến một hệ thống tốt hơn là LMO (NMC), loại pin mới này được lựa chọn trong hầu hết các loại xe điện như Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3 thành phần LMO, chiếm khoảng 30% cung cấp mức dòng lớn trong trường hợp cần tăng tốc và phần NMC cho tuối thọ cao hơn

Các nghiên cứu về Li-ion hiện đang tập chung chính về hướng kết hợp Li-manganesevới cobalt, nickel, manganese và/hoặc aluminum như các vật liệu dùng làm âm cực Trong một vài kiến trúc, một lượng nhỏ silicon được thêm vào cực dương Điều này làm năng khoảng 25% dung lượng, tuy nhiên tuổi thọ pin lại ngắn lại do silicon tăng và giảm trong quá trình xả/xạc gây sức ép lên kiến trúc hiện tại

Hiện đang có 3 kím loại chính, và thêm silicon được dùng để cải thiện dung lượng, khả năng xả, và tuổi thọ của pin Lithium-oxide Trong khi người dùng thông thường cần pin với dung lượng cao hơn, các ứng dụng trong công nghiệp lại cần hệ thống pin có khả năng chịu tải tốt, có tuổi thọ dài và an toàn

2.2.3 Lithium Iron Phosphate(LiFePO 4 )

Vào năm 1996, đại học University of Texas (và một số đối tác) đã phát hiện ra rằng

cách dùng phosphate làm cực âm cho pin lithium Li-phosphate tạo ra chất điện tốt với nội trở thấp Sử dụng phosphate mang lại nhiều lợi ích nhứ dòng xả cao, tuổi thọ lớn, cải thiện độ an toàn cũng như độ ổn định bởi nhiệt độ

Li-phosphate có khả năng chịu lỗi tốt hơn các hệ thống pin lithium-ion khác nếu nóđược giữ ở điện áp cao trong thời gian dài Nhưng nhược điểm của loại pin này là điện ápđịnh danh thấp 3.2V/cell làm giảm mức năng lượng so với các pin cobalt lithium-ion Vớihầu hết các pin, nhiệt độ thấp làm giảm hiêu suất của pin và đồng thời cũng làm giảm tuổithọ, pin Li-phosphate cũng không phải là ngoại lệ Li-phosphate có dòng tự xả cao hơncác pin Li-ion khác, điều này dẫn tới các vấn đề về cân bằng pin trong bộ pin khi pin sửdụng lâu

Li-phosphate thường được dùng để thay thế cho các acquy chì trong hệ thống khởi

phosphate chịu được overcharge; tuy nhiên nếu tiếp tục overcharge trong thời gian dài sẽlàm tổn hại tới pin Nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng đến hoạt động của pin Li-phosphate.

2.2.4 Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 or NMC)

Một trong những hệ thống Li-ion thành công là âm cực được làm bằng kết hợpcủa nickel-manganese-cobalt (NMC) Tương tự như Li-manganese, các hệ thống nàydùng như các nhân/tế bào năng lượng Ví dụ, NMC trong pin 18650 với dung lượngkhoảng 2,800mAh và có thể cung cấp dòng xả cỡ 4A tới 5A; NMC có thể được tối ưu đểdung lượng tầm 2,000mWh nhưng có khả năng cung cấp dòng xả tới 20A Bổ sung thêmsilicon cho cực dương có thể mang tới dung lượng cỡ 4,000mAh hoặc cao hơn nhưng làmgiảm khả năng xả và tuổi thọ ngắn hơn Silicon được thêm vào than chì có nhược điểm làcực dương sẽ tăng hay giảm kích thước trong quá trình xả/sạc, và điều này làm cho cấutrúc của pin không ổn định

Bí mật của NMC nằm ở sự kết hợp giữa nickel và manganese Nickel cho mức nănglượng cao, nhưng kém ổn định; manganese tạo ra cấu trúc xoắn cho phép ion di chuyển dễdàng hơn, nội trở pin thấp và dòng xả cao hơn, nhưng lại có mức năng lượng thấp Kếthợp cả 2 kim loại này để chúng bổ sung thế mạnh lẫn nhau

NMC là sự lựa chọn của các công cụ cần năng lượng lớn, dòng xả cao như khoan, xeđiện, và tàu điện, Âm cực thường là kết hợp của 1/3 niken, 1/3 là manganese và 1/3 làcobalt, hay tỉ lệ 1-1-1 Điều này cũng làm giảm chi phí vật liệu ban đầu vì giá của Cobaltkhá cao Một cách kết hợp khác của NCM là với 5 phần nickel, 3 phần cobalt và 2phần manganese Các kết hợp mới nhất gần đây bổ sung thêm một số kim loại mới Cácloại kết hợp mới cho phép pin

có thể sạc tới 4.4V/cell hoặc cao

hơn để tăng dung lượng của pin

2.3 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 10µmđến 20µm, với độ dày tổng cộng khoảng 200µm Màng ngăn xốp và lớp phủ đòi hỏimỏng 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 10-10m2s-1 Vỏ được dùng như một