Pin lithium là gì? Cấu tạo và những ứng dụng đột phá của pin li thi um
Pin Lithium là linh kiện tích trữ và cung cấp điện năng quan trọng trong các thiết bị điện tử, trên xe cộ và cực kỳ nhiều loại máy móc công cụ trong sản xuất và đời sống. Với công năng và hiệu quả sử dụng cực kỳ tốt, ngành công nghiệp pin li thi um toàn thế giới đang tiến đến những bước đột phá cả trong sản xuất và ứng dụng.
Pin Lithium tích trữ năng lượng làm nền tảng cho các ngành công nghiệp hiện đại phát triển, từ những thiết bị cầm tay, dụng cụ gia đình, máy móc sản xuất, xe máy, xe ô tô, máy bay và cả robot đều cần sử dụng đến các sản phẩm pin li thi um.
Mục lục
Pin lithium là gì?
Pin Lithium còn được gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, được viết tắt là LIB. Là loại pin lưu trữ điện năng với cực âm được làm bằng kim loại Lithium hoặc hợp kim Lithium. Vật chất điện phân là tế bào thuộc loại dung dịch khô không dính và siêu nhẹ.
Lịch sử ra đời của Pin Lithium
Pin Lithium ra đời vào những năm thập niên 70 trong bối cảnh thế giới đang diễn ra cuộc khủng hoảng dầu mỏ do nhà khoa học M Stanley Whittingham nghiên cứu. Trong quá trình nghiên cứu công nghệ năng lượng không phụ thuộc vào dầu mỏ, than đá ông đã phát hiện ra vật liệu có tên Titan (IV) sulfua. Vật liệu này được kết hợp với kim loại Liti thuần để tạo ra cực dương, cực âm sử dụng trong pin Lithium.
Do Liti là một kim loại mạnh nên khi tiếp xúc với không khí dễ xảy ra các phản ứng hóa học nguy hiểm, chính vì vậy mà pin sạc Lithium từ thí nghiệm này không được chấp nhận và không thể ứng dụng vào thực tế. Bởi Titan disulfua cần phải được tổng hợp trong điều kiện chân không mà điều này rất tốn kém, khoảng 1000USD/1kg vào năm 1970.
Cùng thời gian này, J. O. Besenhard tại Đại học Munich đã nghiên cứu và phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa Cathode và than chì bằng Oxit kim loại. Dựa trên phát hiện mới của Besenhard cùng những phát hiện trước đó của Whittingham, nhà khoa học John B Goodenough cùng cộng sự đã có thêm những bước tiến mới trong việc phát triển công nghệ pin mới.
Năm 1979, một loại pin sạc sử dụng Liti Cobalt Oxit (LiCoO2) làm cực dương và Liti thuần làm cực âm được chế tạo, loại pin này có khả năng tạo ra dòng điện khoảng 4V. Việc sử dụng LiCoO2 đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ pin. Điều đặc biệt là những loại pin sử dụng LiCoO2 đều có thể sạc lại dễ dàng.
Sự phát triển của pin Lithium ion vẫn chưa thực sự dừng lại, chúng tiếp tục được phát triển bởi nhà khoa học người Nhật Akira Yoshino. Năm 1985, ông đã chế tạo ra một nguyên mẫu có khả năng thương mại hóa bằng cách thay thế cực dương chứa kim loại Lithium dễ cháy bằng các ion Lithium từ than cốc dầu mỏ. Sự thay thế này làm cho pin Lithium an toàn và hoàn thiện hơn so với các phiên bản trước đây.
Vào năm 1991, pin Lithium được thương mại hóa bởi Sony Energytec và chính thức tạo ra một thời đại công nghệ mới, cung cấp năng lượng mạnh mẽ cho các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính, ô tô điện…
Cấu tạo và dung lượng Pin Lithium
Cấu tạo chung của tất cả các dòng Pin Lithium gồm: điện cực âm, điện cực dương, môi chất điện phân và bộ phận phân tách. Cụ thể:
Điện cực âm
Điện cực âm của pin lithium-ion được cấu tạo từ than chì (Graphene) và các vật liệu Cacbon khác, chúng có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ ở trong tinh thể.
Điện cực âm của pin dùng để xác định công suất, điện áp và nó chính là nguồn của ion Lithium.
Điện cực dương
Điện cực dương được làm từ vật liệu LicoO2 và LiMnO4, cấu trúc phân tử gồm Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium sẽ tách ra khỏi cấu trúc và tạo thành ion dương Lithium (Li+).
Điện cực dương cho phép dòng điện chạy qua mạch ngoài và khi sạc các ion Lithium được lưu trữ trong cực dương.
Môi chất điện phân
Môi chất điện phân là chất lỏng được lấp đầy vào 2 cực và có màng ngăn ở giữa. Dung dịch điện phân chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ có chức năng như vật dẫn các ion Lithium kết nối với 2 cực. Nói một cách khác, chất điện phân chính là môi trường truyền ion Lithium giữa 2 cực trong quá trình sạc và xả.
Bộ phân tách
Bộ phân tách hay màng ngăn được làm từ nhựa PE hoặc PP, chúng có chức năng ngăn cách giữa các cực. Mặc dù vậy các ion Li+ vẫn có thể đi qua được.
Dung lượng pin Lithium
Đây là thuật ngữ mô tả khả năng lưu trữ điện tích của pin, nó có ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của pin thông qua các lần xả. Các nghiên cứu về pin Lithium cho thấy khi pin được sạc thường xuyên pin sẽ được sạc tốt hơn là việc dùng hết dung lượng pin rồi mới sạc.
Nguyên lý hoạt động của Pin Lithium
Nguyên lý hoạt động của Pin Lithium rất đơn giản, cụ thể: Cực âm và cực dương sẽ đóng vai trò là nguyên liệu trong quá trình điện hóa. Trong khi đó, dung dịch điện phân là môi trường dẫn các ion di chuyển giữa 2 cực, quá trình được diễn trong quy trình xả và sạc của pin. Chi tiết như sau:
Quy trình xả pin
Các ion Li+ sẽ di chuyển từ cực âm qua dung dịch điện ly cực dương và cực dương sẽ phản ứng với ion Lithium. Mỗi một ion Lithium dịch chuyển từ cực âm sang dương sẽ có 1 Electron chuyển động ở mạch ngoài và sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang âm. Điều này sẽ tạo ra sự cân bằng điện tích giữa 2 cực.
Quy trình sạc pin
Tại quy trình này sẽ diễn ra ngược lại, tức là các Electron sẽ buộc phải chạy từ điện cực dương về cực âm. Các ion Li+ sẽ bị tách ra và di chuyển từ cực dương về cực âm.
Như vậy, trong một chu kỳ phóng điện, các nguyên tử Lithium ở cực dương sẽ bị ion hóa và tách khỏi các điện cực của chúng. Các ion sẽ di chuyển từ cực dương đi qua môi chất điện phân và đến cực âm. Tại đây chúng sẽ kết hợp với các điện cực và trung hòa về điện.
Công năng vượt trội của Pin Lithium
Nhìn chung so với các loại pin thông thường, pin Lithium ion có nhiều công năng vượt trội hơn cả.
- Tuổi thọ pin cao: Pin Lithium có vòng đời từ 3000 lần sạc trở lên gấp nhiều lần so với chu kỳ lần sạc của axit chì. Ngoài ra, chu kỳ pin được tính theo % sạc thay vì một chu kỳ khi kết nối pin với bộ sạc. Điều này nghĩa là cứ 10% sạc là 1/10 của 1 chu kỳ pin li-ion, 10% sạc pin axit chì sẽ là 1 chu kỳ.
- Thời gian sạc nhanh: Pin có mức độ sạc nhanh vượt trội, khoảng 15 đến 20 phút có thể sạc đầy bình
- Trọng lượng nhẹ: Do pin Lithium-ion có mật độ năng lượng cao nên pin có trọng lượng tương đối nhỏ và nhẹ. Điều này góp phần không nhỏ vào việc giúp cho các thiết bị tiết kiệm hiệu quả nhiên liệu.
- Thân thiện với môi trường và an toàn với sức khỏe người dùng: Pin được thiết kế theo xu hướng thân thiện dựa trên công nghệ hiện đại nên trong quá trình sử dụng sẽ không xuất hiện mùi khó chịu hoặc bị rò rỉ dung dịch ra bên ngoài, đảm bảo tuyệt đối an toàn với sức khỏe người dùng.
- Không cần bảo dưỡng định kỳ: Pin được dùng luôn ngay khi được lắp đặt, khi hết điện pin có thể tự phục hồi sau khi được sạc đầy.
- Được tích hợp bản mạch thông minh BMS: Với bản mạch này, pin sẽ được bảo vệ tối ưu, hạn chế việc bị đoản mạch, phân cực ngược hoặc bị quá dòng.
Những ứng dụng của Pin Lithium
Với những công năng vượt trội như vậy, pin Lithium được ứng dụng rất nhiều trong đời sống, đặc biệt là ứng dụng vào các thiết bị điện tử.
Pin Lithium cho thiết bị điện tử cầm tay
Với các thiết bị điện tử cầm tay, pin Lithium được ứng dụng sử dụng cho điện thoại, đèn pin, máy nghe nhạc, máy trợ thính hoặc đồng hồ đeo tay,…Mặc dù giá của chúng sẽ cao hơn các loại pin thông thường nhưng đổi lại tuổi thọ sử dụng cao, hạn chế việc phải thay pin liên tục.
Pin cho máy tính
Các loại pin cho máy tính, laptop chủ yếu được dùng hiện nay là loại pin Lithium. Bởi trọng lượng pin khá nhẹ, tuổi thọ dùng cao, tốc độ sạc nhanh, không gây nóng máy khi vừa sạc vừa làm việc…Điều này giúp cho quá trình làm việc không bị gián đoạn, việc di chuyển máy cũng linh hoạt và có tính thuận lợi cao.
Pin cho xe máy
Với xe máy, xe điện hay xe đạp điện…các dòng ắc quy Lithium được đánh giá cao về khả năng cung cấp điện cũng như khả năng tích điện tốt mặc dù chúng không được dùng phổ biến vì giá thành đắt nhưng lại được kỳ vọng là sẽ thay thế hoàn toàn các dòng ắc quy truyền thống.
Pin cho Ô tô
Với lĩnh vực Ô tô, pin được ứng dùng nhiều trong động cơ đốt trong, đặc biệt là với các dòng ô tô điện. Các loại xe chở khách du lịch trong các khu du lịch hay xe chở chạy trong sân Golf…đều chạy bằng pin Lithium.
Pin cho xe nâng, xe tải
Ứng dụng pin Lithium-ion cho xe nâng, xe tải ngày càng được sử dụng phổ biến, mặc dù giá thành cao hơn so với pin ướt nhưng lợi ích chúng mang lại nhiều hơn. Pin không cần phải bảo dưỡng hay thêm nước, khả năng sạc nhanh chóng, pin sẽ tự ngắt điện khi sạc đầy nên sẽ không có chuyện bị sạc quá mức.
Pin cho Viễn thông
Trong lĩnh vực viễn thông, pin Lithium được dùng nhiều bởi chúng có khả năng duy trì dòng điện ổn định trong một thời gian dài, chúng thường xuất hiện ở một số thiết bị như bộ tích điện, inverter hay fax…
Pin cho Y tế
Trong lĩnh vực Y tế, pin Lithium được ứng dụng dùng trong các mô cấy y khoa hoặc sử dụng trong các thiết bị đeo điện tử…
Như vậy, pin Lithium được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực với nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Chúng cung cấp năng lượng ổn định cho các thiết bị điện tử, tạo ra những đột phá mới trong ngành công nghiệp năng lượng. Ngoài ra, chúng còn góp phần không nhỏ trong việc giảm thiểu số lượng pin thải ra môi trường nhờ khả năng có thể sạc và tái sử dụng nhiều lần.