nghiên cứu tổng quan về Pin Liion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
----oOo----

TIỂU LUẬN
CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA

ĐỀ TÀI : PIN LI-ION

GV: LÊ TRỌNG THÀNH
SV: NGUYỄN VĂN TUẤN
MSSV: 21000083
LỚP: DHHO17THVHVL

Thanh Hóa , ngày 29 tháng 09 năm 2022
1


MỤC LỤC

1. Giới thiệu tổng quan .......................................................................................3
2. Cấu tạo Pin Li-ion ..........................................................................................3
3. Nguyên lý hoạt động của pin Li-ion...........................................................4÷6
4. Ưu nhược điểm của pin Li-ion ...................................................................6÷7
5. Ứng dụng .........................................................................................................7
6. Giá thành .........................................................................................................8

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................9

2

1. TỔNG QUAN
Pin Lithium ion là một loại pin thứ cấp. Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sử
dụng 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, Vật
liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên
một cực góp điện. Trong q trình nạp/phóng điện, những ion Li+ được điền vào hoặc
tách ra từ khe hở giữa những lớp nguyên tử phía trong những vật liệu hoạt động
Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầu
những năm 90 cho tới năm 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4
tỉ USD
Hiện nay các cơng 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 rẻ
hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp.

2. CẤU TẠO CỦA PIN LI - ION
Cấu tạo pin Lithium-ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện
phân và hai bộ thu dịng điện.

Hình 1 : Cấu tạo của pin lithium-ion
3


- 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 dịng điện chạy qua, ngun
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 mơi 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 li-on 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
40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC.

7. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LI - ION
Cực âm, cực dương đóng vai trị 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.
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 (LiCoO2 ). Phản ứng là:
CoO2 + Li+ + e– → LiCoO2
Q trình oxy hóa diễn ra ở cực dương. Ở đó, hợp chất xen kẽ graphit LiC6 tạo thành
graphit (C6) 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) :
4


LiC6 + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2

Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion thể hiện qua quy trình sạc và 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 ngồi, 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.

Hình 3. Quy trình phóng điện (xả)
5


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 dùng. Khi tất cả các ion đã di chuyển trở lại, pin đã được xả hết và cần
sạc lại.
- 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 trị cực dương).

Hình 4. Quy trình nạp điện (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 khơng còn dòng chảy ion nào nữa, pin đã được sạc đầy và sẵn sàng sử dụng.
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.

8. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PIN LI-ON
Ưu điểm

Nhược điểm

-Kín, khơng cần bảo trì.

-Giá trung bình ban đầu.

-Chu kỳ sống dài.

-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao.

6


-Dải nhiệt độ hoạt động rộng.

-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện.

-Thời gian hoạt động dài.

-Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi
bị quá tải.

-Tốc độ tự phóng chậm.
-Khả năng nạp nhanh.

-Khả năng phóng điện có tốc độ và
cơng suất cao.

-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép.
-Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ
năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.

-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.
-Năng lượng riêng và mật độ năng
lượng cao.
-Khơng có hiệu ứng nhớ.

9. ỨNG DỤNG
pin Lithium-ion được ứng dụng nhiều trong sản xuất xe điện, Pin Lithium-ion trên xe
điện được nghiên cứu và phát triển nghiêm ngặt, có khả năng chịu đựng được môi trường
khắc nghiệt tốt. Và đã được thử nghiệm trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau trước
khi cung cấp ra thị trường. Pin Lithium-ion trên xe điện đạt tiêu chuẩn kháng nước kháng
bụi IP67 => Giúp cho xe hoạt động ngay cả khi trời đang mưa, môi trường nước và ngăn
chặn bụi xâm nhập vào pin dễ gây hỏng hóc cho xe. Pin có khả năng chịu nhiệt trung
bình từ -30 độ đến 55 độ.
Đối với năng lượng của xe điện từ pin, trong quá trình xe hoạt động hồn tồn khơng diễn
ra q trình đốt cháy, nhờ vậy có thể loại bỏ được tối đa nguy cơ gây cháy nổ, đảm bảo
an tồn hơn.
tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng 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 dị mìn ... và dự
đốn pin Li-ion cịn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu khơng gian, vệ tinh ....

7


10. GIÁ THÀNH
Hiện nay các cơng 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 rẻ
hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp.
Pin Li-ion được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực và được thương mại hóa từ
đầu những năm 90 nên giá thành của pin đang được tối ưu hóa nhằm đáp ứng nhu cầu sử
dụng và cạnh tranh với những loại năng nượng khác trên thị trường.
Theo một khảo sát mới nhất từ BloombergNEF (tổ chức nghiên cứu, tư vấn toàn cầu
về lĩnh vực năng lượng sạch) giá trung bình của 1 bộ pin lithium-ion : đã giảm xuống còn
137 USD/kWh. Con số này giảm 13% so với năm 2019. Các con số cũng cho thấy công
nghệ pin đạt được một sự tiến bộ đáng kinh ngạc khi chi phí cho chúng đã giảm 88% kể
từ năm 2010.

Hình 5. Giá trung bình của 1 bộ pin Li-ion từ năm 2010 ÷ 2020 (BloombergNEF)
BloombergNEF dự đốn, giá pin sẽ giảm xuống cịn 58 USD/kWh trong năm 2030 và
tiếp tục xuống đến 44 USD/kWh vào năm 2035.
8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. tư liệu bài giảng của giáo viên hướng dẫn bộ môn thầy LÊ TRỌNG THÀNH
2. Nguyễn Thế Khơi, Nguyễn Hữu Mình. Vật lí Chất rắn (1992). NXB GD Hà Nội.
3. Venkatasetty, H.V: Lithium battery technology(1984). Wiley, New York.
4. Pistoia, G: Lithium batteies (1994). Elsevier, New York.
5. David Linden, Thomas B.Reddy (2002). Handbook of batteries. McGraw-Hill, New
York.

6. />
9