GIÁO TRÌNH NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

CHƯƠNG 4. NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC
1
2
3
4

• Tổng quan về nguồn điện hóa học
• Nguồn điện sơ cấp
• Nguồn điện thứ cấp
• Pin nhiên liệu


4.1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC
 Nguồn điện hóa học là thiết bị sản sinh dòng điện nhờ vào
năng lượng hóa học của các phản ứng oxi hóa – khử.
 Nguồn điện hóa học được ứng dụng rộng rãi như một
nguồn điện độc lập cung cấp năng lượng cho các thiết bị
điện trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
 Nguồn điện hóa học có thể cung cấp năng lượng từ vài
chục mWh (trong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt
trong cơ thể…) cho đến hàng trăm kWh (chạy ôto) hoặc
đến hàng chục MWh (trạm phát điện bằng pin nhiên liệu).


4.1.1. PHÂN LOẠI NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC
Pin (Nguồn điện sơ cấp - Primary
batteries)
Ắc quy (Nguồn điện thứ cấp Secondary batteries)
Pin nhiên liệu (Fuel cells)

Nguyên lí cấu tạo chung của nguồn điện hóa học


4.1.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG
CHO NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC
a. Hiệu điện thế
Hiệu điện thế của pin là điện áp danh định mà pin tạo ra khi
hoạt động, được tính bằng Volt (V).
Hiệu điện thế của pin luôn luôn nhỏ hơn sức điện động:
Ucell = Ec – Ea – ∑ - iRcell
∑ - tổng phân cực của battery gồm có phân cực điện
hóa, phân cực nồng độ và phân cực hóa học.
i – cường độ dòng điện.
Rcell – điện trở trong của battery.



b. Dung lượng và dung lượng riêng
Dung lượng là điện lượng mà pin có thể tạo ra tại điện áp
danh định, thường được tính bằng đơn vị miliampe giờ
(mA.h).
Dung lượng riêng là điện lượng tích
trữ trên một đơn vị khối lượng
(Ah/kg) hoặc trên một đơn vị thể tích
chiếm chỗ của nguồn điện (Ah/dm3
hoặc Ah/m3).
Dung lượng riêng của các vật liệu
trong nguồn điện hóa học phổ biến
như chì (260 Ah/kg), kẽm (820 Ah/kg),
Liti (3860 Ah/kg).

c. Mật độ năng lượng
Mật độ năng lượng là năng lượng riêng, tức là năng lượng
trên một đơn vị khối lượng hoặc đơn vị thể tích.

d. Chu kỳ sống (Cycle life) – dành cho ắc quy
Nó cho ta biết số chu kì nạp và phóng điện (sạc/xả) hoàn
chỉnh ắc quy có thể hỗ trợ (chu cấp) trước khi mà dung
lượng của nó giảm xuống dưới 80-85% dung lượng ban đầu
của nó. Nói chung, chu kỳ sống của ắc quy là số chu kỳ
sạc/xả hoàn chỉnh trước khi ắc quy bắt đầu giảm rõ rệt hiệu
suất của nó.


4.2. NGUỒN ĐIỆN SƠ CẤP (PRIMARY BATTERIES)
4.1.1. PIN MANGAN-KẼM

 Hàng năm, trên thế giới sản xuất hơn 10 tỷ thỏi pin
mangan-kẽm. Theo một vài số liệu 90% nguồn điện hóa
học sản xuất trên thế giới là hệ Zn-MnO2.
 Kẽm là chất khử tốt (-0.76 V), tương đối bền đối ăn mòn,
tương đối rẻ và không độc hại. Dung lượng riêng lý thuyết
của kẽm là 830 Ah/kg.
 Pin mangan-kẽm được sản xuất ở 2 dạng: pin muối và pin
kiềm.


a. Pin muối (Pin Leclanché)
Sơ đồ mạch: (-)ZnZnCl2, NH4ClMnO2 (+)

Anode – kẽm (≥ 99.94%), là vỏ của nguồn điện. Chứa lượng
nhỏ Pb, Ga hoặc Cd (khoảng vài 0.10 và 0.01%) đóng vai trò
chất ức chế ăn mòn kẽm.
Hoạt chất cathode – EMD (electrochemical maganese
dioxide) với than chì hoặc bồ hóng và K2Cr2O7 và Cr2(SO4)3,
ngăn ngừa sự chảy nước của chất điện giải khi tăng nhiệt độ.
Chất điện li – NH4Cl, ZnCl2 hoặc NH4Cl với ZnCl2.


Phản ứng điện cực
Nếu NH4Cl được dùng:
Anode: Zn – 2e = Zn2+
Cathode: 2MnO2 + 2NH4+ + 2e = 2MnO(OH) + 2NH3
2MnO2 + 2NH4Cl + Zn = Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH)
SĐĐ = 1.477V
Nếu dùng ZnCl2:
Anode: Zn – 2e = Zn2+
Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnO(OH) + 2OH−
2MnO2 + Zn + 2H2O = Zn(OH)2 + 2MnO(OH)
SĐĐ = 1.5V


CẤU TRÚC PIN MUỐI


b. Pin kiềm (Alkaline battery)
Sơ đồ mạch: (-)ZnKOHMnO2 (+)
Thành phần
Bột kẽm
Dung dịch KOH

(32-55%)
Kẽm oxide
Chất cô đặc*
Chất ức chế ăn
mòn (Pb, In, Bi,
Al)

Hàm lượng
(% khối lượng)
55-75
25-45
Đến 2
0.4-2.0
Đến 0.05

ANODE
* Dẫn xuất của cellulose, polyacrylate,
polyvinyl alcohol và các polymer khác

Thành phần

Hàm lượng
(% khối lượng)
MnO2
79-85
Carbon
7-10
Dung dịch KOH 7-10
(35-55%)
Chất kết dính 0-1

CATHODE


Ở giai đoạn đầu của quá trình phóng điện diễn ra sự oxi hóa
kẽm cho ra zincat.
Anode: Zn + 4OH− - 2e = ZnO22- + 2H2O
Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnOOH + 2OH−
Phản ứng tổng: Zn + 2OH− + 2MnO2 = ZnO22- + 2MnOOH
Sau khi dung dịch bão hòa bởi zincat thì bắt đầu quá trình thứ
hai:
Anode: Zn + 2OH− -2e = Zn(OH)2
Zn(OH)2 = ZnO + H2O.
Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnOOH + 2OH−
Phản ứng tổng: Zn + 2MnO2 + H2O = ZnO + 2MnOOH
SĐĐ = 1.413V


CẤU TRÚ PIN KIỀM

Màng ngăn cách được tẩm
dung dịch điện giải.
hidratcellulose (cellophan)
hoặc vật liệu polymer.
Vì khối chất đặc hơn và ứng
dụng vỏ thép nên pin kiềm
có cùng kích cỡ thường nặng
hơn pin muối 25-50%.

c. Pin Lit
Ưu điểm của điện cực Li:
i)

Li là kim loại có thế điện cực rất âm trong nước
-3.055V. Trong dung môi hữu cơ thế điện cực dương
hơn một chút -2.887V trong propylene carbonate. Vì
vậy, khi nó kết hợp với điện cực dương thích hợp thì
sẽ cho pin với điện thế lớn.

ii) Mật độ tích trữ điện (năng lượng riêng) của pin Li rất
cao vì khối lượng nguyên tử thấp. 1F được giải phóng
khi hòa tan 7g Li.
iii) Pin Li cho dòng điện phóng khá cao.
iv) Một vài pin Li có thể sạc được.


Đặc điểm
Điện thế
làm việc, V
NL riêng
theo khối
lượng,
Wh/kg
NL riêng
theo thể
tích Wh/l
Khoảng
nhiệt độ
làm việc,

o
C
Tự phóng
điện,
%/năm

Li/MnO2
3.0

Li/SO2
2.6-2.9

Li/SOCl2
3.3-3.5

Li/CFx
-

Li/CuO
1.2-1.5

Li/I2
-

Đến 250

300-340

Đến 600

250

300

-

500

500-560

Đến 1100

600

600

Đến 1000

-20  55

-60  70

-50  70

-20  60

-10  70

-10  60

2-2.5

1-2

1.5-2

1-2

1-2

1


+ Hệ Li-MnO2: Pin hệ Li-MnO2 là hệ pin Li phổ biến nhất trong
người tiêu dùng, chiếm khoảng 80% thị trường pin Li.
 
(-) LiLiClO4, propylene carbonate + dimethoxyethaneMnO2 (+)

Phản ứng tạo dòng điện: xLi + MnO2 = LixMnO2. (Mn bị khử
từ số oxi hóa +4 xuống +3 bởi Li)


Pin Li-MnO2 6V có cấu hình mỏng (kết nối bipolar với 2 tế bào
trong chuỗi) (a) hình cắt ngang. (b) các thành phần. (c) Hình dạng
ngoài.


4.3. NGUỒN ĐIỆN THỨ CẤP (SECONDARY BATTERIES)
4.3.1. Ắc quy acid-chì
a. Nguyên lí hoạt động

Sơ đồ mạch: PbO2H2SO4Pb
Dung dịch điện li: dung dịch H2SO4
Chất hoạt động bản dương: PbO2
Chất hoạt động bản am: Pb
Cực dương

PbO2 + 4H

Cực âm

Pb

+

+ SO42-

+

PbO2 + Pb + 4H +

+ SO42-

- 2e

+ 2e

discharge
charge

PbSO4 + 2H2O

discharge

2SO42-

charge

PbSO4

discharge
charge

2PbSO4 + 2H2O


b. Cấu tạo
+ Vỏ bình: làm từ nhựa cứng hay ebonit đúc liền khối, không dẫn
điện và chịu được axit. Vỏ bình có các vách ngăn tạo thành các ngăn
riêng cho từng ắc quy đơn, ở đáy có các yên, các lá cực đặt lên yên
để được bảo vệ không bị chập mạch điện do cặn chất hoạt động
lắng xuống đáy bình.
Các lá cực: làm bằng hợp kim chì-antimon. Các lá cực có gân dọc,
ngang hoặc xiên tạo thành những ô chứa chất hoạt động là PbO2 ở
cực dương và chì xốp ở cực âm.
Các lá chắn không dẫn điện,
nhưng có độ thẩm thấu lớn để
thuận tiện cho quá trình phản
ứng xảy ra khi các cation và
anion xuyên qua chúng để đến
các điện cực.

+ Nắp đậy: nằm ở phía trên ngăn không cho bụi bẩn và các
vật khác rơi vào ắc quy, đồng thời ngăn cho dung dịch điện
li không trào ra ngoài. Trên nắp có các lỗ để đổ dung dịch
điện li và kiểm tra nó có nút vặn chặt, nút có lỗ thông hơi.
Sau khi lắp ráp ắc quy, nắp được gắn chặt với vỏ bình. Để
xác định cực ở các đầu cọc được đánh dấu “+” và “-”.
+ Dung dịch điện li: dung dịch acid sulphuric 36%.


4.3.2. ẮC QUY KIỀM
Hai hệ ắc quy kiềm phổ biến nhất là Ni-Cd, Ni-Fe.
Sơ đồ mạch: NiOOHKOHCd
Cực dương
NiOOH + H2O + e

discharge

Ni(OH)2 + OH-

charge

Cực âm
-

Cd + 2OH - 2e

discharge
Cd(OH)2

charge

2NiOOH + Cd + 2H2O

discharge
2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
charge

Điện thế mạch hở là 1.45-1.7V. Chu kì sống khoảng 3000 vòng
với năng lượng riêng 32-35Wh.kg-1.
Dung dịch điện li – 20-28% khối lượng KOH. Vì kiềm không tham gia vào phản ứng tạo
dòng nên việc kiểm soát khối lượng riêng dung dịch điện li là không cần thiết.


4.4. PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELLS)
Jules Verne (Giuyn Véc-nơ), nhà văn
Pháp nổi tiếng (1828-1905).

Trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng
“Hòn đảo huyền bí” (1874):
“Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như
nhiên liệu, rằng hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên
nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một
nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không
thể so sánh được. Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng
ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước. Nước sẽ là “than
đá” của tương lai.”
24

Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến
nền kinh tế hydrogen
• Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền
kinh tế nhiên liệu hóa thạch.
• Nhiên liệu hóa thạch đóng một vai trò quan trọng trong việc
đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay, nhưng nó cũng
tồn tại những vấn đề lớn:
− Các vấn đề môi trường.
− Nguồn tài nguyên hữu hạn.
− Phụ thuộc vào các nước có nguồn nhiên liệu hóa thạch dồi
dào.
• Khái niệm về một nền kinh tế hydrogen dựa trên nguồn năng
lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững
của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy tiềm năng.
25