Đóng

Tìm hiểu về Pin Lithium-ion và ứng dụng của Pin Lithium-ion trong đời sống

Pin Lithium-ion đang ngày càng được biết đến nhiều hơn nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng lớn và có thể sạc lại được năng lượng đã tiêu hao. Ngày này, chúng là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất hiện nay cho nhiều thiết bị điện tử như: Laptop, Điện thoại thông minh, Máy tính bảng, Máy ảnh,… Ngoài ra, chúng còn được chú trọng vào trong phát triển trong quân đội, y tế, các phương tiện di chuyển bằng năng lượng điện ( xe máy điện, ô tô điện).

Trong bài viết này hãy cùng tìm hiểu về lịch sử Pin Lithium-ion, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại pin này nhé.

Lịch sử của Pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion hay Pin Li-ion (viết tắt là LIB) lần đầu được biết đến bởi giáo sư M Stanley Whittingham hiện đang giảng dạy tại đại học Bringhamton Mỹ vào những năm 1970 khi ông còn làm việc tại Exxon. Trong khi nghiên cứu về công nghệ năng lượng mới không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá. Stanley đã tìm ra một vật liệu tên titanium sulfide sử dụng làm cực âm và kim loại liti làm cực dương. Khi để gần với nhau, chúng tạo ra một nguồn điện 2V và không sạc lại được.

Pin của giáo sư M Stanley Whittingham

Tuy nhiên, pin lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan sulfide là một lựa chọn tệ hại, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970). Vì lí do này Exxon đã ngưng sản xuất pin titan sulfide-lithium của M Stanley Whittingham.

Cho đến năm 1980, giáo sư John B Goodenough tại đại học Texas tiếp tục có bước tiến mới trong việc phát triển các viên pin. Bằng việc thay thế titanium sulfide bằng liti coblat oxit (LiCoO2) kết hợp với kim loại Liti thuần tạo ra một dòng điện 4V. LiCoO2 mở ra một triển vọng mới cho công nghệ pin, đặc biệt là pin có thể sạc lại được nhờ vào tính chất của nó là một chất dẫn điện tích dương ổn định. Nhưng kim loại Lithium lại cho thấy các vấn đề về an toàn, vì lithium là một chất phản ứng mạnh. Nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí. Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.

Pin của giáo sư John B GoodEnough

 

Năm năm sau, giáo sư Akira Yoshino của Đại học Meijo ở Nagoya, Nhật Bản đã phát triển một nguyên mẫu pin đầu tiên có khả năng được thương mại hóa. Thay vì sử dụng kim loại Lithium ở cực dương, ông đã sử dụng vật liệu cacbon từ “than cốc” dẫn đến phát hiện mang tính cách mạng, pin mới không chỉ an toàn hơn đáng kể khi không có kim loại lithium, mà hiệu suất pin ổn định hơn, do đó tạo ra nguyên mẫu đầu tiên của pin lithium-ion.

Pin của giáo sư Akira Yoshino

Đến nay công nghệ Pin Li-ion vẫn đang được phát triển không ngừng. Để tri ân những đóng góp đối với nhân loại, giải thưởng Nobel Hóa Học 2019 đã vinh danh ba nhà khoa học John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino vì những đóng góp của họ.

Ba giáo sư đạt giải Nobel Hóa học 2019

 

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Lithium-ion

Nhìn chung, Pin Lithium-ion có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Tuy nhiên cấu tạo bên trong chúng thường giống nhau. Để hiểu về nguyên lý hoạt động của chúng, điều quan trong phải hiểu được cấu tạo từng bộ phận riêng lẻ.

Pin Lithium-ion có cấu tạo bao gồm 4 thành phần chính là điện cực dương, điện cực âm, bộ phân tách và chất điện phân. 

Trong đó điện cực âm lưu trữ lithium và thường làm bằng carbon, điện cực dương thường làm từ một hợp chất hóa học và một oxit kim loại ví dụ như LiCoO2 và LiMnO4. Ngăn cách giữa điện cực dương và điện cực âm là bộ phân tách thường được làm bằng polypropylene (PP) hoặc polyethylene (PE). Bộ phân tách ngăn dòng electron âm và dương nhưng cho các dòng ion đi qua. Chất điện phân thường là dung dịch muối liti trong dung môi hữu cơ. Nó mang các ion lithium tích điện dương từ cực dương sang cực âm và ngược lại tùy thuộc vào việc pin đang sạc hay đang phóng điện.

Pin Lithium-ion hoạt động như thế nào? 

Bên trong pin lithium-ion sẽ diễn ra các phản ứng oxy hóa – khử

Sự khử diễn ra ở cực âm. Tại đó, oxit cacbon kết hợp với các ion liti để tạo thành oxit liti-coban (LiCoO 2 ). Phản ứng là:

CoO2 + Li + + e – → LiCoO2

Quá trình oxy hóa diễn ra ở cực dương. Ở đó, hợp chất xen kẽ graphit LiC 6 tạo thành graphit (C 6 ) và các ion liti. Phản ứng là:

LiC 6 → C6 + Li+ + e –

Đây là toàn bộ phản ứng (từ trái sang phải = phóng điện, từ phải sang trái = sạc):

LiC6 + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2

Trong quá trình sạc, các ion liti di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm qua chất điện phân. Các electron cũng đi từ điện cực dương sang điện cực âm, nhưng đi theo con đường dài hơn xung quanh mạch bên ngoài. Các electron và ion sẽ gặp nhau ở điện cực âm và giữ liti ở đó. Khi không còn dòng chảy ion nào nữa, pin đã được sạc đầy và sẵn sàng sử dụng.

 

Trong quá trình phóng điện, các ion chảy ngược lại qua chất điện phân từ điện cực âm sang điện cực dương. Các electron cũng đi từ điện cực âm sang điện cực dương qua mạch bên ngoài, cung cấp năng lượng cho thiết bị của bạn. Khi tất cả các ion đã di chuyển trở lại, pin đã được xả hết và cần sạc lại.

 

Video giải thích hoạt động của Pin Lithium-ion