Quá trình phát triển công nghệ chế tạo pin Lithium

Công nghệ chế tạo pin Lithium đã mang đến cuộc cách mạng hóa những sản phẩm pin với hiệu suất cao, thời gian sạc nhanh mà lại có khả năng chịu nhiệt rất tốt.

Có thể anh em dùng nhiều nhưng không để ý tới, hiện nay ngành công nghiệp đã ứng dụng rất nhiều sản phẩm dùng pin, cụ thể là các dụng cụ, thiết bị dùng pin như: máy khoan pin, máy bắt vít pin… Với tính tiện lợi và hiệu quả chắc chắn anh em đã được trải nghiệm. Hãy cùng tìm hiểu thêm những thông tin thú vị về dòng pin này nhé!

Quá trình phát triển công nghệ chế tạo pin Lithium

Năm 1970, M. Stanley Whittingham – nhà hóa học người Anh, khi làm việc cho Exxon, đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực.

• Tuy nhiên, loại pin Lithium được tạo ra từ thí nghiệm này không thể ứng dụng vào thực tế vì chi phí sản xuất quá tốn kém (khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970)
• Đồng thời, các chất hóa học có trong pin Lithium như titan disulfua khi tiếp xúc với không khí có thể tạo ra phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua gây mùi khó chịu
• Chính vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham

Năm 1980, John Goodenough – giáo sư vật lý người Mỹ, đã thử kết hợp giữa chất lithium coban oxit để dòng điện có thể di chuyển từ điện cực này sang điện cực kia của pin dưới dạng ion Li+ nhằm tạo ra pin Lithium.

Đến năm 1983, Akira Yoshino – giáo sư của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Phát minh này của nhà khoa học Yoshino được coi là tiền thân trực tiếp của công nghệ pin Lithium-ion (LIB) hiện đại.

Và đến năm 1991, Pin Lithium-ion bắt đầu chính thức được thương mại hóa bởi Sony Energytec. Trên thị trường dành cho các thiết bị di động và lưu trữ điện UPS hiện nay, chuẩn pin Lithium đang giữ vị trí gần như thống trị khi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trên toàn cầu.

Cấu tạo của pin lithium ion

Cấu tạo pin Lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

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.

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

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.

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.

Tương lai của công nghệ chế tạo pin Lithium

Thực tế tại thời điểm này, chuẩn pin Li/S vẫn chưa sẵn sàng để được thương mại hóa do khoảng cách giữa sản xuất thực tế và nghiên cứu vẫn khá lớn. Ngoài ra, các nghiên cứu thúc đẩy giảm lượng khí thải carbon và phát triển sản xuất các nguồn năng lượng bền vững như năng lượng mặt trời và gió, kết hợp với thiết bị lưu trữ như pin cũng đang được kỳ vọng có thể thay thế pin Li-ion.

Việc đổi mới của quá trình lựa chọn vật liệu, thiết kế và công nghệ sản xuất pin thay thế cho pin Li-ion là tất yếu, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn hơn.

Các vật liệu mới như polyme rắn, gốm và chất điện phân thủy tinh cho phép pin thể rắn và các quy trình sản xuất pin mới thân thiện với môi trường sẽ loại bỏ việc sử dụng các dung môi độc hại đang được sử dụng trong quá trình sản xuất pin Li-ion.

Xem thêm: Các dụng cụ pin Makita thiết yếu cho gia đình, ngành cơ khí