Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công nghệ sản xuất pin lithium

Cấu tạo pin lithium

1.Cấu tạo pin Lithium ion bao gồm:

Pin lithium có cấu tạo như sau: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

Cấu tạo pin lithium
Cấu tạo pin lithium

– Điện cực dương (Cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.

– Điện cực âm (Anode)

Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.

 – Bộ phân tách

Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.

 – Chất điện phân

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ.

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin lion là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Sau đây là nguyên lý hoạt động của pin lithium: Cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa ở pin li-on. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:

Nguyên lý hoạt động pin lithium
Nguyên lý hoạt động pin lithium

– Quy trình xả:

Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.

– Quy trình sạc:

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

3. Các công nghệ sản xuất pin lithium

Ngày nay công nghệ sản xuất pin lithium rất phong phú và đa dạng, tùy thuộc vào hợp chất hóa học làm từ 2 đầu điện cực mà cho ta ra nhiều công nghệ sản xuất khác nhau, mỗi công nghệ đều có một ưu nhược điểm riêng sau đây là một số công nghệ mà chúng tôi đã thống kê được từ nguồn wikipedia:

Điện cực dương
Hợp chất Công ty Ứng dụng Năm Ưu điểm
Lithi Niken Mangan Coban Oxide (NMC, LiNixMnyCozO2) Imara Corporation, Nissan Motor, Microvast Inc., LG Chem Xe điện, dụng cụ điện, grid energy storage 2008 Năng lượng riêng và mật độ năng lượng riêng cao
Lithi Mangan Oxide (LMO, LiMn2O4) LG Chem, NEC, Samsung, Hitachi, Nissan/AESC, EnerDel Xe điện hybrid, điện thoại, laptop 1996 Giá rẻ, bền, năng lượng riêng cao
Lithi Sắt Phosphate (“LFP”, LiFePO4) University of Texas/Hydro-Québec, Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT Segway Personal Transporter, dụng cụ điện, sản phẩm hàng không, automotive hybrid systems, PHEV conversions 1996 Mật độ năng lượng ở mức trung bình (2 A·h outputs 70 amperes) An toàn, bền nhiệt.
Lithi Coba Oxide (LiCoO2) Sony first commercial production Đa dạng 1991 Năng lượng riêng cao
Lithi Niken Coban Nhôm Oxide (“NCA”, LiNiCoAlO2) Panasonic, Saft Groupe S.A. Xe điện 1999 Năng lượng riêng cao, vòng đời dài
Điện cực âm
Hợp chất Dung lượng Công ty Ứng dụng Năm Nhận xét
Graphite 372 mAh/g Là vật liệu chính cho cực âm trong hầu hết các LIB 1991 Giá rẻ. Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước hình dạng của từng lớp graphene.[120]
Lithi Titanate (“LTO”, Li4Ti5O12) 175 mAh/g Toshiba, Altairnano Ô tô (Phoenix Motorcars), điện lưới dự trữ (PJM Interconnection Regional Transmission Organization control area,United States Department of Defense), bus (Proterra) 2008 Dòng điện, thời gian sạc, độ bền (an toàn, bền nhiệt, có thể chạy trong khoảng −50–70 °C (−58–158 °F))
Hard Carbon 540 mAh/g Energ2[124] Dụng cụ điện gia đình 2013 Dung lượng lớn
Hợp kim thiếc coban (CoSnx) lên đến 992 mAh/g Sony Dụng cụ điện (Sony Nexelion battery) 2005 Dung lượng lớn hơn pin graphite (3.5Ah 18650-type battery)
Silicon/Carbon Volumetric: 580 W·h/l Amprius[125] Smartphones, với công suất 5000 mA·h 2013 Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon <10% khối lượng.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *