do an kỹ thuật hóa học tìm hiểu pin lithium

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
---------------o0o---------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÌM HIỂU VỀ PIN LITHIUM

GVHD: Đặng Thanh Phong
SVTH : Trần Đinh Đại Nhân
LỚP : 07DHHH02
MSSV : 2004160314

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 6 năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Theo tiến độ chương trình đào tạo của trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm
TpHCM và sự phân công của giáo viên hướng dẫn môn Đồ án môn học. Em đã thực hiện
đề tài “TÌM HIỂU VỀ PIN LITHIUM”.
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đặng Thanh Phong đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ kiến
thức cơ bản và sửa cho em những sai sót khi làm đồ án.

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm sinh viên gồm :

1……………………………...MSSV……………

2……………………………...MSSV…………...
3……………………………..MSSV……………

Nhận xét :
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
Điểm đánh giá:
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….

Ngày . ……….tháng ………….năm 2014
( ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD:Đặng Thanh Phong

2


MỤC LỤ
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................i
Danh sách hình ảnh..........................................................................................................v
Danh sách bảng biểu.........................................................................................................v
Lí do chọn đề tài...............................................................................................................vi
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ LITHIUM....................................................................1
1.1. Quặng lithium......................................................................................................1
1.2. phân bố của lithium.............................................................................................1
1.3. Trữ lượng.............................................................................................................2
1.4. Nhu cầu của lithium trên thế giới.......................................................................3
1.4.1. Sứ và thủy tinh..............................................................................................4
1.4.2. Điện và điện tử..............................................................................................4
1.4.3. Chất bôi trơn.................................................................................................4
1.4.4. Luyện kim......................................................................................................4
1.4.5. Hữu cơ và polyme hóa học...........................................................................5
1.4.6. Y học..............................................................................................................5
1.4.7. Ứng dụng quân sự.........................................................................................5
1.4.8. Hạt nhân........................................................................................................5
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN PIN LITHIUM...................................................................6
2.1. Pin Lithium..........................................................................................................6
2.2. Phân loại...............................................................................................................9
2.2.1. Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2)...................................................................9

2.2.2. Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)........................................................9
2.2.3. Lithium Iron Phosphate(LiFePO4)............................................................10
2.2.4. Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 or NMC)........10
2.3. Cấu tạo................................................................................................................11
2.4. Các vật liệu chế tạo pin Li-ion..........................................................................11
2.4.1. Các vật liệu điện cực dương.......................................................................11
2.4.2. Các vật liệu dùng làm điện cực âm............................................................16
2.5. Các chất điện li..................................................................................................19
GVHD:Đặng Thanh Phong

3


2.6. Các muối thường dùng trong chất điện phân cho pin Li –ion.......................20
2.7. Dung môi............................................................................................................21
2.8. Vật liệu cách điện..............................................................................................22
CHƯƠNG 3.CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITHIUM.......................................23
3.1. Các quá trình cơ bản xảy ra trong pin Li-ion.................................................23
3.1.1. Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion.........................................................23
3.1.2. Các phản ứng cơ bản xảy ra trong pin Li-ion...........................................23
3.2. Đặc trưng của pin..............................................................................................26
3.3. Quá trình nạp xã................................................................................................27
3.4. Nhiệt độ hoạt động............................................................................................27

GVHD:Đặng Thanh Phong

4


Danh sách hình ản

Hình 1.1 Liti nổi trong parafin........................................................................................1
Hình 1.2 Biểu đồ trữ lượng mỏ liti các nước trên thế giới (2014)..................................2
Hình 1.3 Ước tính lượng tiêu thụ liti toàn cầu năm 2011...............................................4
Hình 1.4 Ngư lôi sử dụng nguồn nguyên liệu từ liti........................................................5
Hình 2.1 Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin Lihium ion.................................7
Hình 2.2 Cấu tạo pin lithium..........................................................................................11
Hình 2.3 Cấu tạo chi tiết phần đầu của pin với bộ ngắt và cơ cấu lỗ an toàn cho
những sự nâng cao bất thường của áp lực bên trong...................................................11
Hình 2.4 Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn2O4 và LiCoO2.......................................14
Hình 2.5 : Điên áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình
nạp đầu tiên ở 250C (tốc độ C/20).................................................................................15
Hình 2.6 Điện áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình
phóng đầu tiên (tốc độ C/20)..........................................................................................15
Hình 2.7 Cấu trúc dạng lục giác của mạng carbon, những cấu trúc mạng của
graphite 2H, 3R............................................................................................................... 17
Hình 2.8 Điện áp, dung lượng quá trình phóng và nạp trong chu kỳ đầu tiên của
thanh cốc (a) vật liệu graphite nhân tạo (b)..................................................................18
Hình 2.9: Ảnh hiển vi điện tử quét của vật liệu cách điện Celgad 3501......................22
Hình 3.1 : Phác hoạ quá trình điện hoá trong Pin Li-ion............................................24

Danh sách bảng biểu
Bảng 2.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion......................................................................8
Bảng 2.2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương..........................................................12
Bảng 2.3 Đặc trưng của các loại carbon........................................................................18
Bảng 2.4 Muối dùng trong chất điện li cho pin Li-ion.................................................20
Bảng 3.1 Những đặc trưng hoạt động của pin Li-ion...................................................26

GVHD:Đặng Thanh Phong

5


GVHD:Đặng Thanh Phong

6


Lí do chọn đề tài
Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn năng
lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại và
trong tuơng lai của con người. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các
nguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường. Có nhiều biện pháp
được đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặt
trời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng
điện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy. Ngày nay, với sự
phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử
dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại
di động …) Để đảm bảo các thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có những nguồn
năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và
đặc biệt gọn nhẹ, an toàn. Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêu
cầu trên. Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp. Nửa
đầu những năm 90 của thế kỉ trước, trên thị trường bắt đầu xuất hiện pin NiMH
( Nikel Metal Hydride ) do NiCd gây ô nhiễm môi trường. Và từ năm 2000 pin NiMH
được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ). Năm 2003 thị trường pin toàn cầu
đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng
đạt từ 6% 8%.
Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trình
khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất
lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đi vào:

“tìm hiểu tổng quan về pin Lithium ion’’

GVHD:Đặng Thanh Phong

7


Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM
Khoa Công Nghệ Hóa học
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ LITHIUM

1.1. Quặng lithium
Liti (tiếng Latinh: Lithium) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn
nguyên tố có ký hiệu Li và số hiệu nguyên tử bằng 3, nguyên tử khối bằng 7. Liti là một
kim loại mềm có màu trắng bạc thuộc
nhóm kim loại kiềm. Trong điều kiện tiêu
chuẩn, Liti là kim loại nhẹ nhất và là
nguyên tố rắn có mật độ thấp nhất. Giống
như tất cả các kim loại kiềm, Liti là chất
phản ứng mạnh và dễ cháy nên nó được
bảo quản đặc biệt trong dầu khoáng. Liti
có ánh kim loại nhưng khi tiếp xúc với
không khí ẩm nó bị ăn mòn bề mặt và bị
chuyển màu nhanh chóng thành xám bạc
mờ, sau đó là xỉn đen. Do có khả năng
phản ứng mạnh, Liti không bao giờ có
mặt ở dạng nguyên tố trong tự nhiên, do
vậy nó chỉ có ở dạng hợp chất ở dạng liên kết ion. Liti

mặt
trong parafin
các khoáng
Hìnhcó1.1
Litinhiều
nổi trong
sản pegmatit, nhưng do tính dễ hòa tan ở dạng ion, nó cũng có mặt trong nước biển, và
thường được tách ra từ muối và đất sét. Ở quy mô thương mại, liti được tách ra bằng
phương pháp điện phân từ hỗn hợp của liti clorua và kali clorua. [Wikipedia].
*PETALIT (LiAlSi4O10) được một nhà hóa học người Brazil José Bonifácio de Andrada
e Silvaphát hiện năm 1800 trong một mỏ trên đảo Utö Thụy Điển.[Wikipedia].
*PETALITE (còn được gọi là castorite) là lithium aluminum tectosilicate
(LiAlSi4O10), một loại trong nhóm feldspar. Một quặng lithium chủ yếu gồm spodumen,
lepidolite và tourmaline tinh thể dạng cột và khối hình cột từ không màu đến xám hoặc
vàng.[Wikipedia]
1.2. phân bố của lithium
Mặc dù liti phân bố rộng rãi trên Trái Đất, nó không xuất hiện tự nhiên ở dạng nguyên
tố do tính phản ứng cao của nó. Tổng lượng liti trong nước biển là rất lớn, ước tính
khoảng 230 tỉ tấn, tức nồng độ ổn định khoảng 0,14 đến 0,25 ppm, hay 25 micromol; hàm
lượng cao hơn đạt đến 7ppm được tìm thấy trong các mạch nhiệt dịch. [Wikipedia].
Hàm lượng liti trong vỏ Trái đất ước tính dao động trong khoảng 20 đến 70 ppm. Liti
là một thành phần phủ trong các đá magma với hàm lượng cao nhất trong các đá granit.
Các đá pegmatit cũng có hàm lượng liti lớn nhất ở dạng khoáng vật,
với spodumene và petalite là các nguồn khai thác liti thương mại phổ biến. Khoáng vật liti
đáng kể khác là lepidolit. Một nguồn liti mới là sét hectorit, các hoạt động khai thác chủ
yếu thông qua công ty Western Lithium Corporation ở Hoa Kỳ. Với hàm lượng 20 mg
liti/kg trong vỏ trái đất,] liti là nguyên tố phổ biến thứ 25. [Wikipedia]
GVHD: Đặng Thanh Phong

1

Theo cẩm nang Liti và Canxi tự nhiên, "Liti là một nguyên tố tương đối hiếm, mặc dù nó
được tìm thấy trong nhiều khối đá và một vài vùng nước mặn, nhưng luôn ở nồng độ rất
thấp. Có một số lượng khá lớn của cả khoáng liti và mỏ muối nhưng chỉ một ít trong số
chúng thực sự hoặc có tiềm năng giá trị thương phẩm. [Wikipedia].
Trong những nơi có trữ lượng liti lớn nhất là Salar de Uyuni ở Bolivia, với trữ lượng 5,4
triệu tấn. USGS ước tính năm 2010, Chile có trữ lượng lớn nhất (7,5 triệu tấn) và sản
lựong hàng năm cao nhất (8.800 tấn). Các nhà cung cấp chính khác như Úc, Argentina và
Trung Quốc. Tính đến năm 2015, một Khảo sát địa chất tại cộng hòa Séc coi toàn bộ Dãy
núi Quặng tại Cộng hòa Séc là khu vực liti. Năm mỏ đã được đăng ký, một mỏ
gần Cínovec được coi là mỏ kinh tế tiềm năng với 160 000 tấn liti. [Wikipedia].
Tháng 06 năm 2010, New York Times đưa ra thông báo rằng các nhà địa chất Hoa Kỳ
đã tiến hành khảo sát vùng khô hạn của các hồ muối ở miền tây Afghanistan và tin rằng
có trữ lượng liti lớn nhất ở đây."Các quan chức Lầu Năm Góc cho rằng các phân tích ban
đầu của họ tại một địa điểm ở tỉnh Ghazni cho thấy tiềm năng tạo mỏ liti lớn cỡ mỏ ở
Bolivia, mà mỏ này hiện có trữ lượng liti lớn nhất đã được biết đến." Các ước tính này
"chỉ dựa trên dữ liệu cũ, được thu thập chủ yếu từ thời Liên Xô trong khi họ chiếm đóng
Afghanistan giai đoạn 1979–1989" và "Stephen Peters, trưởng dự án khoáng sản
Afghanistan của USGS, cho rằng ông ta không ông biết về mối liên quan của USGS đến
bất kỳ cuộc thăm dò khoáng sản mới nào tại Afghanistan trong 2 năm qua. 'Chúng tôi
cũng không chắc có bất kỳ phát hiện nào mới về liti." [Wikipedia].
1.3. Trữ lượng
Trữ lượng liti chắc
chắn năm 2008 theo ước
tính của USGS khoảng
13 triệu tấn, nhưng cực
kỳ khó để ước tính trữ
lượng tài nguyên liti trên
toàn cầu. [Wikipedia].

Mỏ Liti được tìm thấy ở
Nam Mỹ trong suốt dãy Hình 1.2 Biểu đồ trữ lượng mỏ liti các nước trên thế giới
núi Andes. Chile là nhà sản xuất hàng đầu, tiếp theo là Argentina.
Cả hai nước thu hồi Liti
(2014)
từ các hồ nước mặn. Ở Hoa Kỳ Liti được thu hồi các hồ nước mặn ở Nevada. Tuy nhiên,
phân nửa trữ lượng trên thế giới phân bố ở Bolivia, một quốc gia nằm ở sườn phía đông
trung tâm dãy Andes. Năm 2009, Bolivia đã thương lượng với Nhật Bản, Pháp, và Hàm
Quốc để bắt đầu khai thác. Theo USGS, sa mạc Uyuni của Bolivia có trữ lượng 5,4 triệu
tấn liti. Một mỏ mới được phát hiện ở đới nâng Rock Springs ở Wyoming ước tính đạt
228.000 tấn. Những mỏ cùng thành tạo này được ngoại suy trữ lượng khoảng 18 triệu tấn.
[Wikipedia].
Sau dự tụt giảm giá quy mô công nghiệp của sản phẩm liti cacbonat sau cuộc khủng
hoảng kinh tế lớn, nhiều nhà cung cấp chính như Sociedad Química y Minera (SQM) họ
đã giảm giá bán 20% trong việc khai thác các nguồn tài nguyên liti trong thời gian tới và
cũng để giữ vững thị trường của họ, giá năm 2012 tăng lên do nhu cầu liti tăng. Bài báo
GVHD:Đặng Thanh Phong

2


Business Week năm 2012 đã nêu ra sự độc quyền về liti như sau: "SQM, được điều hành
bởi tỉ phú Julio Ponce, đứng vị trí thứ hai, sau Rockwood được chống lưng bởi Henry
Kravis thuộc KKR & Co., và FMC có trụ sở ở Philadelphia". Lượng tiêu thụ toàn cầu có
thể tăng lên 300.000 tấn vào năm 2020 từ khoảng 150.000 tấn năm 2012, vì nhu cầu sản
xuất pin liti đã và đang tăng với tỉ lệ 25% mỗi năm, tăng nhanh hơn 4-5% trong overall
gain in lithium. [Wikipedia].
Một nguồn liti tiềm năng khác là từ các giếng địa nhiệt. Các dòng địa nhiệt cò thể
mang các chất này lên trên bề mặt; việc thu hồi liti có thể được chứng minh trong lĩnh vực
này. Một khi liti được tách ra bằng các kỹ thuật lọc đơn giản, chi phí xử lý và môi trường

về cơ bản là đã bao gồm trong việc vận hành các giếng địa nhiệt này; do đó các tác động
của hoạt động này là tích cực. [Wikipedia].
Có nhiều quan điểm khác nhau về sản xuất tiềm năng tăng trưởng sản xuất liti. Một
nghiên cứu năm 2008 đã kết luận rằng "việc sản xuất liticacbonat thực tế đạt được sẽ đủ
chỉ cho một phần nhỏ nhu cầu thị trường PHEV và EV toàn cầu trong tương lai", và "nhu
cầu từ phân khúc thị trường điện tử cầm tay sẽ tiêu thụ hầu hết trữ sản phẩm gia tăng
trong kế hoạch trong thập niên tới", và "việc sản xuất hàng loạt liti cacbonat không có vẻ
thân thiện môi trường, nó sẽ gây ra thiệt hại không thể khắc phục các hệ sinh thái sinh
thái cần được bảo vệ và các động cơ đẩy LiIon là không phù hợp với các khái niệm về
"Green Car".[Wikipedia].
Tuy nhiên, theo một nghiên cứu được tiến hành năm 2011 tại Phòng thí nghiệm
Lawrence Berkeley, Hoa Kỳ và Đại học California Berkeley, trữ lượng ước tính hiện tại
về liti không thể là một yếu tố hạn chế cho việc sản xuất pin quy mô lớn cho các xe chạy
điện, theo nghiên cứu chỉ ra rằng 1 tỉ pin Li 40 kWh có thể được sản xuất với trữ lượng
hiện tại. Một nghiên cứu khác được thực hiện năm 2011 bởi các nhà nghiên cứu từ đại
học Michigan và Ford Motor cho thấy rằng có đủ tài nguyên liti để cung cấp cho nhu cầu
toàn cầu cho đến năm 2100, bao gồm lượng liti cần cho các ứng dụng tiềm năng rộng rãi
của các xe lai điện, plug-in hybrid electricvà pin xe điện. Nghiên cứu đã ước tính trữ
lượng liti toàn cầu đạt khoảng 39 triệu tấn, và nhu cầu cho liti trong chu kỳ 90 năm phân
tích đạt 12-20 triệu tấn theo kịch bản phát triển kinh tế và tỷ lệ tái chế. [Wikipedia].

GVHD:Đặng Thanh Phong

3


1.4 Nhu cầu của lithium trên thế giới
Chỉ tính đến năm 2003, giá Lithium
đã tăng gấp 3 lần. Với nhu cầu sử dụng
pin ngày càng nhiều, ước tính đến năm

2020 thì sản lượng Lithium phải tăng
125% để đáp ứng được yêu cầu của thị
trường. Không những thế, hiện nay đã
bắt đầu xuất hiện sự thiếu hụt nguồn
cung cấp kim loại quý hiếm này.
[Wikipedia].
1.3.1. Sứ và thủy tinh
Liti ôxít được sử dụng rộng rãi làm chất tẩy trong việc xử lý silica, giảm điểm nó ng
Hình
1.3việc
Ướccải
tính
lượng
toàn
cầu
chảy và độ nhớt của vật liệu và làm men sứ
trong
thiện
cáctiêu
tínhthụ
chấtlitivật
lý bao
nămđơn
2011
gồm các hệ số giãn nở nhiệt thấp. Trên toàn cầu đây là ứng dụng
lớn nhất đối với hợp
chất liti. Liti cacbonat (Li2CO3) thường được sử dụng trong ứng dụng này vì nó chuyển
đổi oxit khi nung nóng. [Wikipedia].
1.3.2. Điện và điện tử
Vào các năm cuối của thế kỷ XX, do sở hữu thế điện cao của nó, liti trở thành một

thành phần quan trọng trong các chất điện phân và một trong các thành phần quan trọng
trong pin. Do có khối lượng nguyên tử thấp, liti có tỉ lệ khối lượng tích điện và năng
lượng cao. Loại pin ion liti có thể tạo ra khoảng 3 vôn mỗi ô, so với 2,1 vôn đối với pin
axit chì hay 1,5 vôn đối với pin kẽm-cacbon. Các pin ion liti, có thể sạc được và có mật
độ năng lượng cao, không thể nhầm lẫn với pin liti không thể sạc được. Các loại pin sạc
khác sử dụng liti như pin polymer ion liti, pin liti sắt phốtphat, và pin dây nano.
[Wikipedia].
1.3.3. Chất bôi trơn
Ứng dụng phổ biến thứ ba của liti là làm các chất bôi trơn. Liti hydroxit là một chất
bazo mạnh và khi nung với mỡ, nó tạo ra một loại xà phòng liti có tên là stearat. Xà
phòng liti có khả năng thicken oils, và nó được sử dụng để sản xuất các chất bôi trơn nhiệt
độ cao nhiều mục đích. [Wikipedia].
1.3.4. Luyện kim
Liti (cũng như liti cacbonat) được dùng làm phụ gia trong hoạt động đúc liên tục
trong xỉ làm tăng tính linh động,chiếm khoảng 5% lượng liti toàn cầu (2011). Các hợp
chất liti cũng được sử dụng làm phụ gia trong cát đúc cho hoạt động đúc sắt nhằm giảm
veinin. [Wikipedia].
Liti (ở dạng liti florua) được sử dụng làm phụ gia trong nấu chảy nhôm (công nghệ
Hall–Héroult), làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng điện trở suất,nguồn này chiếm
GVHD:Đặng Thanh Phong

4


3% sản lượng toàn cầu năm 2011 Các hợp kim của liti với nhôm, cadmi, đồng
và mangan được sử dụng trong các bộ phần của máy bay (xem thêm hợp kim litinhôm).Liti còn có hiệu quả trong việc hỗ trợ sự hoàn hảo của mối hàn silicon nano trong
những thành phần điện tử cho pin điện và các thiết bị khác. [Wikipedia].
1.3.5. Hữu cơ và polyme hóa học
Hợp chất Organolithium được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polyme hóa học. Trong
ngành công nghiệp polyme mà người tiêu dùng chi phối những hợp chất này, hợp chất liti

ankyl là chất xúc tác trong trùng hợp anionic của nhóm chức Anken. Hợp chất
Organolithium được chuẩn bị từ liti kim loại và alkyl halogenua. [Wikipedia].
1.3.6. Y học
Các muối liti như cacbonat liti (Li2CO3), citrat liti và orotat liti là các chất ổn định
thần kinh được sử dụng để điều trị các rối loạn lưỡng cực, vì không giống như phần lớn
các loại thuốc ổn định thần kinh khác, chúng trung hòa cả hai sự cuồng và trầm cảm. Liti
có thể được sử dụng để tăng thêm hiệu quả của các thuốc chống trầm cảm khác. Lượng có
ích của liti trong việc này thấp hơn so với mức có độc tính chỉ một chút, vì thế các nồng
độ của liti trong máu phải được kiểm soát kỹ trong quá trình điều trị. Các muối liti có thể
củng giúp ít trong việc chẩn đoán liên quan như rối loạn schizoaffective và trầm cảm có
chu kỳ. Phần tác dụng của muối này là ion liti Li +. Chúng có thể làm tăng nguy cơ phát
triển dị tật Ebstein ở trẻ sinh ra từ các phụ nữ uống liti trong ba tháng đầu của thai kỳ. Liti
cũng được nghiên cứu với khả năng trị bệnh đau đầu từng chùm. [Wikipedia].
1.3.7. Ứng dụng quân sự
Liti kim loại và hỗn hợp Hiđrua của nó
như Li[AlH4] được sử dụng làm chất phụ năng
lượng cao để đẩy tên lửa. Li[AlH4] cũng có thể
tự chế thành nhiên liệu rắn. Một quả ngư
lôi MK-50 chứa hệ thống năng lượng đẩy hóa
học (SCEPS) sử dụng một chiếc xe tăng nhỏ
chứa khí SF6 rải xuống một khối liti rắn. Phản
ứng sau đó sinh nhiệt, tạo ra hơi nước để đẩy
ngư lôi trong một chu kì Rankine khép kín.
Hiđrua liti chứa liti-6 được sử dụng trong vũ
khí nhiệt hạch để bọc thành lõi của bom hạt
nhân. [Wikipedia].
1.3.8. Hạt nhân

Hình 1.4 Ngư lôi sử dụng nguồn
nguyên liệu từ liti

Liti-6 có giá trị làm nguồn nguyên liệu để sảnxuất Triti và chất hấp thụ
nơtron trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Liti tự nhiên chứa khoảng 7.5% liti-6, từ đó
một lượng lớn liti-6 được sản xuất bằng phép tách đồng vị để sử dụng trong vũ khí hạt
nhân. Liti-7 cũng được quan tâm để sử dụng trong chất lỏng của lò phản ứng hạt nhân.
Tritium hòa lẫn với hyđro nặng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ mang tính tương
đối để sinh ra sản phẩm. Mặc dù các chi tiết được giữ bí mật, hyđro liti-6 nặng dường như
vẫn có một vai trò làm vật liệu nhiệt hạch trong các vũ khí hạt nhân hiện đại. [Wikipedia].
GVHD:Đặng Thanh Phong

5


Florid liti có tính hóa học ổn định khác thường và hỗn hợp LiF-BeF 2 đạt độ nóng
chảy thấp. Ngoài ra, 7Li, Be và F là một trong số ít các nuclid với những mặt cắt ngang
nhiệt nơtronthấp vừa đủ để không đầu độc các phản ứng phân hạt nhân bên trong một lò
phản ứng phân hạt nhân. Liti cũng được sử dụng làm nguyên liệu cho hạt alpha hoặc hạt
nhân heli. Khi 7Li bởi các proton tăng tốc hình thành từ 8Be, nó trải qua quá trình phân
hạch để tạo nên hai hạt alpha. Chiến công này do Cockroft và Walton phát hiện năm 1932,
được gọi là "tách nguyên tử vào thời điểm đó, đồng thời là phản ứng hạt nhân đầu tiên
hoàn toàn do con người thực hiện. Các lò phản ứng sử dụng pin liti để chống lại những
tác động ăn mòn từ Axit boric, chất được đưa vào nước để hấp thụ nơtron dư thừa.
[Wikipedia].

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN PIN LITHIUM

2.1. Pin Lithium
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, như
Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như Lithium
Manganese Oxide ( LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm. 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 quá 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.
Những loại pin đầu trên được thương phẩm hóa và đa số thuộc những dòng khả dụng,
dùng LiCoO2, như vật liệu làm điện cực dương. LiCoO2 cho tính năng điện tốt, dễ chế tạo,
tính an toàn cao và tương đối không nhạy cảm với những quá trình biến đổi và độ ẩm.
Gần đây nhữnh vật liệu có giá thành thấp hơn, hoặc hiệu suất cao hơn, như LiMn 2O4 hoặc
LiNi1-xCoxO2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tính
năng được cải tiến. Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩm
đầu tiên. Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp đã dùng glaphite
làm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động và tốc
độ nạp được cải tiến.
GVHD:Đặng Thanh Phong

6


Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầu
những năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm. Lợi nhuận thu
được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000. Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị
trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến
2005. Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năng cao, công nghệ an
toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm.
[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn]

Hình 2.5 Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin Lihium ion.
Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên
một mảng rộng, và 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 dò

GVHD:Đặng Thanh Phong

7


mìn ... và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ
tinh ....
Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2% �8% mỗi tháng) và có dải nhiệt độ
hoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -20 0C �600C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -40 0C
�650C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của pin

Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin
NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin. Pin Li-ion có thể cho khả năng tốc độ
cao. Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc tốc độ xung là 25C.
Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định. Những ưu,
nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng dưới đây:
Bảng 2.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.
Ưu điểm

Nhược điểm

-Kín, không cần bảo trì.

-Giá trung bình ban đầu.

-Chu kỳ sống dài.

-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao.

-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

-Tốc độ tự phóng chậm.

quá tải.

-Khả năng nạp nhanh.

-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép.

-Khả năng phóng điện có tốc độ và công -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ
năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.
suất cao.
-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.
-Năng lượng riêng và mật độ năng lượng
cao.

-Không có hiệu ứng nhớ.

GVHD:Đặng Thanh Phong

8


Hiện nay các công 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.
2.2. Phân loại
2.2.1. Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2)
Đây là loại pin Lithium mà có một độ năng lượng cao nhất. Nó được sử dụng rộng
rãi cho điện thoại, máy ảnh, laptop. Pin gồm oxit Colbat ở cực âm và một graphite carbon
ở cực dương. Cực âm có cấu trúc theo lớp và trong quá trình xả, lithium ions sẽ di chuyển
từ cực dương tới cực âm. Quá trình di chyển theo chiều ngược lại khi ta sạc pin. Nhược
điểm Li-cobalt hiện đang được thay bổ sung thêm các hóa chất như mới hơn như nickel,
manganese hoặc nhôm để cải thiện tuổi thọ, tăng khả năng xả và giảm giá thành.
Các pin Li-cobalt này không nên sạc và xả quá giới hạn dung lượng của nó. Tức là
nếu 1 pin 18650 với dung lượng 2,400mAh chỉ nên sạc/xả tối đa ở 2,400mA. Sạc/xả cao
hơn giá trị này sẽ dẫn tới tăng nhiệt độ pin và gây nên sức ép lớp lên cell pin. Các nhà sản
xuất thường khuyến cáo sạc/xả tối đa ở tầm 0.8C – 80% dung lượng. Với pin 2400mAh ở
trên thì nên sạc/xả tối đa không quá 2,000mA.Thường các pin này có thể được bổ sung
thêm các mạch bảo vệ để năng pin không bị sạc/xả quá 1C. [Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn
Hữu Minh - Vật lí Chất rắn]
2.2.2. Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)
Li-ion được bổ sung thêm Mangan – manganese lần đầu tiên được giới thiệu
tại Materials Research Bulletin vào 1983. vào năm 1996, Moli Energy đã đưa ra sản phẩm
thương mại đầu tiên là cell Li-ion với lithium manganese oxide dùng làm cực âm. Kiến
trúc tại ra một rãnh xoắn 3 chiều làm tăng dòng chảy của ion. Cách làm như vậy làm giảm

nội trở của pin và cải thiện chất lượng dòng xả. Ưu điểm nữa của rãnh xoắn là ổn định bởi
nhiệt độ, cải thiện độ an toàn, tuy nhiên tuổi thọ lại không cao.
Nội trở thấp cho phép cell sạc nhanh và có thể xả ở dòng lớn. Các cell Li-manganese
trong bộ pin 18650 có thể xả tới 20–30A mà nhiệt độ tỏa ra ở mức bình thường, đồng thời
xả đỉnh tối đa (trong một vài giây) có thể tới 50A. Xả liên tục với dòng xả lớn trong thời
gian dài có thể làn cho nhiệt độ sử dụng tăng. Nhiệt độ sử dụng của pin phải không được
vượt quá 80°C (176°F). Li-manganese được sử dụng cho các công cụ cần nguồn năng
lượng lớn, công suất xả cao, các thiết bị y tế, và các xe điện. Li-manganese có dung lượng
nhỏ hơn 1/3 so với pin Li-cobalt. Thiết kế linh hoạt cho phép kỹ sư có thể dễ dàng tối ưu
pin theo một trong các tiêu chí như tuổi thọ, hoặc dòng xả hoặc dung lượng. Ví dụ pin
18650 với có tuổi thọ lớn thì dung lượng khoảng 1100mAh, với dung lượng cao thì cỡ
1,500mAh.
Hầu hết các pin Li-manganese được bổ sung thêm lithium nickel manganese cobalt
oxide (NMC) để cải thiện dung lượng, và tăng tuổi thọ. Sự kết hợp này mang đến một hệ
thống tốt hơn là LMO (NMC), loại pin mới này được lựa chọn trong hầu hết các loại xe
GVHD:Đặng Thanh Phong

9


điện như Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3. thành phần LMO, chiếm khoảng 30%
cung cấp mức dòng lớn trong trường hợp cần tăng tốc và phần NMC cho tuối thọ cao hơn.
Các nghiên cứu về Li-ion hiện đang tập chung chính về hướng kết hợp Li-manganese
với cobalt, nickel, manganese và/hoặc aluminum như các vật liệu dùng làm âm cực.
Trong một vài kiến trúc, một lượng nhỏ silicon được thêm vào cực dương. Điều này làm
năng khoảng 25% dung lượng, tuy nhiên tuổi thọ pin lại ngắn lại do silicon tăng và giảm
trong quá trình xả/xạc gây sức ép lên kiến trúc hiện tại.
Hiện đang có 3 kím loại chính, và thêm silicon được dùng để cải thiện dung lượng,
khả năng xả, và tuổi thọ của pin Lithium-oxide. Trong khi người dùng thông thường cần
pin với dung lượng cao hơn, các ứng dụng trong công nghiệp lại cần hệ thống pin có khả

năng chịu tải tốt, có tuổi thọ dài và an toàn.
2.2.3. Lithium Iron Phosphate(LiFePO4)
Vào năm 1996, đại học University of Texas (và một số đối tác) đã phát hiện ra rằng
cách dùng phosphate làm cực âm cho pin lithium. Li-phosphate tạo ra chất điện tốt với
nội trở thấp. Sử dụng phosphate mang lại nhiều lợi ích nhứ dòng xả cao, tuổi thọ lớn, cải
thiện độ an toàn cũng như độ ổn định bởi nhiệt độ.
Li-phosphate có khả năng chịu lỗi tốt hơn các hệ thống pin lithium-ion khác nếu nó
được giữ ở điện áp cao trong thời gian dài. Nhưng nhược điểm của loại pin này là điện áp
định danh thấp 3.2V/cell làm giảm mức năng lượng so với các pin cobalt lithium-ion. Với
hầu hết các pin, nhiệt độ thấp làm giảm hiêu suất của pin và đồng thời cũng làm giảm tuổi
thọ, pin Li-phosphate cũng không phải là ngoại lệ. Li-phosphate có dòng tự xả cao hơn
các pin Li-ion khác, điều này dẫn tới các vấn đề về cân bằng pin trong bộ pin khi pin sử
dụng lâu.
Li-phosphate thường được dùng để thay thế cho các acquy chì trong hệ thống khởi
động. 4 cell mắc nối tiếp cho điện áp 12.80V, tương đương 6 acquy chì 2V nối tiếp. Liphosphate chịu được overcharge; tuy nhiên nếu tiếp tục overcharge trong thời gian dài sẽ
làm tổn hại tới pin. Nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng đến hoạt động của pin Li-phosphate.
2.2.4. Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 or NMC)
Một trong những hệ thống Li-ion thành công là âm cực được làm bằng kết hợp
của nickel-manganese-cobalt (NMC). Tương tự như Li-manganese, các hệ thống này
dùng như các nhân/tế bào năng lượng. Ví dụ, NMC trong pin 18650 với dung lượng
khoảng 2,800mAh và có thể cung cấp dòng xả cỡ 4A tới 5A; NMC có thể được tối ưu để
dung lượng tầm 2,000mWh nhưng có khả năng cung cấp dòng xả tới 20A. Bổ sung thêm
silicon cho cực dương có thể mang tới dung lượng cỡ 4,000mAh hoặc cao hơn nhưng làm
giảm khả năng xả và tuổi thọ ngắn hơn. Silicon được thêm vào than chì có nhược điểm là
cực dương sẽ tăng hay giảm kích thước trong quá trình xả/sạc, và điều này làm cho cấu
trúc của pin không ổn định.
GVHD:Đặng Thanh Phong

10

Bí mật của NMC nằm ở sự kết hợp giữa nickel và manganese. Nickel cho mức năng
lượng cao, nhưng kém ổn định; manganese tạo ra cấu trúc xoắn cho phép ion di chuyển dễ
dàng hơn, nội trở pin thấp và dòng xả cao hơn, nhưng lại có mức năng lượng thấp. Kết
hợp cả 2 kim loại này để chúng bổ sung thế mạnh lẫn nhau.
NMC là sự lựa chọn của các công cụ cần năng lượng lớn, dòng xả cao như khoan, xe
điện, và tàu điện,.. Âm cực thường là kết hợp của 1/3 niken, 1/3 là manganese và 1/3 là
cobalt, hay tỉ lệ 1-1-1. Điều này cũng làm giảm chi phí vật liệu ban đầu vì giá của Cobalt
khá cao. Một cách kết hợp khác của NCM là với 5 phần nickel, 3 phần cobalt và 2
phần manganese. Các kết hợp mới nhất gần đây bổ sung thêm một số kim loại mới. Các
loại kết hợp mới cho phép pin
có thể sạc tới 4.4V/cell hoặc cao
hơn để tăng dung lượng của pin.
2.3. Cấu tạo
Cấu tạo của một pin Liion bao gồm một điện cực
dương và một điện cực âm được
ngăn cách bởi một màng ngăn
xốp
polyethylene
hoặc
polypropylene dày từ 16m đến
25m. Điện cực dương gồm
một vật liệu hoạt động phủ lên
Hình 2.6 Cấu tạo pin lithium
một lá đồng dày từ 10m đến 25m, với độ dày đặc trưng tổng cộng khoảng 180m.
Điện cực âm bao gồm vật liệu carbonaceous hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10m
đến 20m, với độ dày tổng cộng khoảng 200m. Màng ngăn xốp và lớp phủ đòi hỏi
mỏng vì hệ số dẫn trong chất điện phân khô thấp, khoảng 10ms/cm, và sự khuếch tán ion
Li+ trong vật liệu điện cực dương và âm chậm, khoảng 10 -10m2s-1. Vỏ được dùng như một
terminal âm thì điển hình là thép tráng Nikel; khi được sử dụng như terminal dương, vỏ

điển hình là nhôm.
Hầu hết những pin được thương phẩm hoá sử dụng phần đầu để hợp nhất những phần
rời rạc, được hoạt hoá bởi áp suất hoặc nhiệt độ, như thiết bị PTC, và có một lỗ thông an
toàn.
2.4. Các vật liệu chế tạo pin Li-ion
2.4.1. Các vật liệu điện cực dương
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là
các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó Hình 2.7 Cấu tạo chi tiết phần đầu của
pin với bộ ngắt và cơ cấu lỗ an toàn cho
M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, những sự nâng cao bất thường của áp
lực bên trong.
Mn ... hay các hợp chất thay thế một phần cho
GVHD:Đặng Thanh Phong

11


nhau giữa các kim loại M. Pin Li-ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị
trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và
chế tạo. Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung
lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2.
Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu
sau:
- Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium.
- Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium.
- Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+.
- Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn.
- Dẫn điện tốt.
- Không tan trong dung dịch điện li.
- Giá thành rẻ.

[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn].
2.4.1.1. Đặc trưng của các vật liệu làm điện cực dương
Tính đa dạng của các vật liệu làm điện cực dương ngày càng được phát triển và
nhiều loại trong chúng khả dụng với thị trường.
Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương nói chung được
thống kê trong bảng sau:
Bảng 2.2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.

Loại vật liệu

Dung lượng riêng Thế trung

Ưu - Nhược điểm

(mAh/g)

bình (v)

LiCoO2

155

388

Thông dụng, giá Co đắt.

LiNi0,7Co0,3O2

190

370

Giá thành trung bình.

LiNi0,8Co0,2O2

205

373

Giá thành trung bình.

LiNi0,9Co0,1O2

220

376

Có dung lượng riêng cao nhất.

GVHD:Đặng Thanh Phong

12


LiNiO2

200

355

Phân li mạnh nhất.

LiMn2O4

120

400

Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li.

2.4.1.2. Cấu trúc tinh thể
Những nghiên cứu về các vật liệu làm điện cực dương cho thấy chúng có nhiều cấu
trúc khác nhau tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của các ion dương. Qua các công trình nghiên
cứu đã công bố cho thấy:
Các hợp chất LiMO2 (M = Ni, Co, ...) và LiNi1-xCoxO2 có cấu trúc dạng lớp, trong đó
có nguyên tử Co hoặc Ni tập trung ở các vị trí hốc bát diện trong mạng Oxi. Hợp chất
LiMn2O4 (spinel) trong đó các ion Li+ nằm ở các vị trí hốc bát diện còn các ion Mn 3+
chiếm vị trí các ô tứ diện trong phân mạng tạo bởi các nguyên tử oxi. Ô nguyên tố của các
hợp chất này có cấu trúc dạng trực thoi thuộc nhóm không gian Pmnm. Các hợp chất
LiMO2 đều có cấu trúc trực thoi R3m, các vật liệu này có khả năng thực hiện quá trình
hấp thụ và giải phóng ion Li+ do vậy đã và đang được sử dụng làm điện cực dương cho
pin nạp lại (pin thứ cấp) Li-ion.
Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn2O4 và LiCoO2:

GVHD:Đặng Thanh Phong

13

Hình 2.8 Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn2O4 và LiCoO2.
Trong các vật liệu có cấu trúc loại -LiFeO2 các ion Li+ và Fe3+ sắp xếp một cách tự
do trong các hốc bát diện. Ô nguyên tố của hợp chất này có dạng lập phương với nhóm
không gian Fm3m. Với cấu trúc loại  - LiFeO2 các ion Li+ và Fe3+ sắp xếp một cách trật
tự trong các hốc bát diện làm giảm tính đối xứng từ mạng lập phương (Fm3m) thành dạng
tứ giác xếp chặt với nguyên tố bằng hai ô nguyên tố của -LiFeO2 xếp chồng lên nhau.
Trong đó các ion dương Fe3+ và Li+ chiếm các vị trí hốc tứ diện, các ion âm O 2- chiếm vị
trí các hốc bát diện.
Ngoài ra, các loại cấu trúc trên có thể chuyển hoá lẫn nhau tuỳ thuộc vào các điều
kiện chế tạo hoặc quá trình xử lý nhiệt. Ví dụ, cấu trúc -LiFeO2 khi nung trong không
khí trong khoảng nhiệt độ từ 3000C �5000C sẽ chuyển thành cấu trúc  - LiFeO2. Ngoài
ra còn có cấu trúc  với các kiểu cấu trúc khác nhau là đơn tà và hai pha tứ giác. Trật tự
GVHD:Đặng Thanh Phong

14


điện tích dương trong pha đơn tà đã được xác định nhưng trong hai pha tứ giác lại chưa
xác định được. Kí hiệu ' được sử dụng cho pha đơn tà, còn các kí hiệu * và " được sử
dụng cho hai pha có cấu trúc tứ giác nhưng khác nhau tỉ số c/a. Nói chung, các pha , *,
', " đều là biến thể của LiFeO2. [Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất
rắn].
2.4.1.3 Đặc trưng nạp / phóng (tích/ thoát) ion Lifi của vật liệu catốt
Đặc trưng thế và dung lượng riêng của LiMn 2O4, LiCoO2 và LiNi0,8Co0,2O2 trong quá
trình nạp và phóng đầu tiên (tốc độ C/20) như sau:

Hình 2.9 : Điên áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình
nạp đầu tiên ở 250C (tốc độ C/20).

Hình 2.10 Điện áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình

phóng đầu tiên (tốc độ C/20).
GVHD:Đặng Thanh Phong

15


Mặc dù LiMn2O4 cho điện thế cao nhất (4,0V), nhưng lại có dung lượng thấp nhất
(khoảng 120mAh/g). LiNi1-xCoxO2 có điện áp trung bình thấp nhất (khoảng 3,75V) nhưng
lại có dung lượng cao nhất (khoảng 205 mAh/g); LiCoO2 thì ở khoảng giữa (điện áp
3,88V, dung lượng khoảng 155 mAh/g).
Ta thấy rằng LiCoO2 là hợp chất có dung lượng tốt và điện thế cao, tuy nhiên Coban
là kim loại có giá thành cao, do đó phải tìm chất khác có thể thay thế coban có giá rẻ hơn
nhưng lại vẫn phải đảm bảo được các yêu cầu về thế, dung lượng ... đồng thời nâng cao
chất lượng của sản phẩm.
Trong quá trình nạp, những hợp chất LiNi1-xCoxO2 cho điện thế đồng dạng, hàm
lượng coban được rút gọn, dung lượng cao hơn, trên 220mAh/g. Khuynh hướng này cũng
được thấy trong quá trình phóng điện.
Mỗi loại hợp chất đều có ưu và nhược điểm. Các hợp chất LiNi 1-xCoxO2 (x = 0,1; 0,2;
0,3) được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn cả do các hợp chất này, thay thế được một
phần Coban mà vẫn đảm bảo được chất lượng và các yêu cầu đối với các vật liệu sử dụng
làm điện cực dương. Sự tổng hợp tính chất và tính năng điện hoá của hợp chất LiNi 1CoxO2 trong quá trình nạp điện, phóng điện và sự tổn hao dung lượng, tính ổn định nhiệt

x

của chúng đã được công bố.
[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn].
2.4.2. Các vật liệu dùng làm điện cực âm
Loại pin Li-ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm. Vật
liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g, và bền trong dung dịch
propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB)

carbon. MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn, 300 mAh/g, và diện tích bề mặt
nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao. Mới đây, các loại
hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá. Một số pin dùng g
raphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng cho
dung lượng cao hơn với vật liệu graphite.
[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn].
GVHD:Đặng Thanh Phong

16


2.4.2.1. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc mạng của graphite carbon thuộc dạng lớp các nguyên tử cacbon được lai
hoá trong liên kết đồng hoá trị dạng lục giác với nhau trong cấu trúc ABABAB (2H)
thành từng lớp xếp chồng lên nhau, hoặc cấu trúc trực thoi ABCABC (3R) cũng có dạng
từng lớp xếp chồng lên nhau.

Hình 2.11 Cấu trúc dạng lục giác của mạng carbon, những cấu trúc mạng của
graphite 2H, 3R.
Hầu hết các vật liệu này chứa đựng sự rối loạn bao gồm cấu trúc 2H và 3R xếp
chồng lên nhau một cách ngẫu nhiên. Các mẫu carbon đã được phát triển với một dải của
những chồng xếp không trật tự và những hình thái học khác nhau.
Graphite carbon dạng lục giác là pha có sự ổn định nhiệt động tốt hơn so với dạng
trực thoi mặc dù sự sai khác Enthanpy giữa hai loại cấu trúc 2H và 3R chỉ là 0,6KJ/mol.
Hai pha này có thể chuyển hoá cho nhau bằng cách nghiền (2H  3R) hoặc nung nóng
lên tới nhiệt độ 10500C (3R  2H).
[Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh - Vật lí Chất rắn]
2.4.2.2. Đặc trưng nạp/ phóng (tích/ thoát) ion Liti của vật liệu anốt
+
Graphit có thể chứa đựng ion Li cực đại là một nguyên tử Lithium trên 6 nguyên tử

carbon trong điều kiện áp suất khí quyển với dung lượng lý thuyết là 372mAh/g. Các ion
Li+ được điền kẽ vào cấu trúc mạng graphite thông qua các sai hỏng mạng nằm ở các mặt
phẳng lục giác hoặc thông qua các mặt phẳng cạnh. Cấu trúc dạng lớp của graphite carbon

GVHD:Đặng Thanh Phong

17