đồ án môn học tìm hiểu về pin lithium

Có nhiều biện phápđược đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặttrời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạngđiện năng

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 PhẩmTpHCM 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 kiếnthức cơ bản và sửa cho em những sai sót khi làm đồ án

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)

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(LiCoO 2 ) 9

2.2.2 Lithium Manganese Oxide (LiMn 2 O 4 ) 9

2.2.3 Lithium Iron Phosphate(LiFePO 4 ) 10

2.2.4 Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 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

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

Danh sách hình nản

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

Lí do chọn đề tài

Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn nănglượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại vàtrong tuơng lai của con người Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra cácnguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường Có nhiều biện phápđược đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặttrời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạngđiện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy Ngày nay, với sựphát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tửdẫn 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 nguồnnăng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần vàđặc biệt gọn nhẹ, an toàn Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêucầu trên Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp Nửađầu 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 pinNiMH được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ) Năm 2003 thị trường pintoàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăngtrưởng đạt từ 6% 8%

Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trìnhkhoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chấtlượng 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’’

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 cáckim loại kiềm, Liti là chất phản ứng mạnh và dễ cháy nên nó được bảo quản đặc biệttrong 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 khảnăng 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 có mặt nhiều trong các khoángsản pegmatit, nhưng do tính dễ hòa tan ở dạng ion, nó cũng có mặt trong nước biển, vàthường được tách ra từ muối và đất sét Ở quy mô thương mại, liti được tách ra bằngphương 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 hoặcvàng.[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 tínhkhoảng 230 tỉ tấn, tức nồng độ ổn định khoảng 0,14 đến 0,25 ppm, hay 25 micromol; hàmlượng 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 litiđáng kể khác là lepidolit Một nguồn liti mới là sét hectorit, các hoạt động khai thác chủyếu thông qua công ty Western Lithium Corporation ở Hoa Kỳ Với hàm lượng 20 mgliti/kg trong vỏ trái đất,] liti là nguyên tố phổ biến thứ 25 [Wikipedia]

Theo cẩm nang Liti và Canxi tự nhiên, "Liti là một nguyên tố tương đối hiếm, mặc dù nóđược tìm thấy trong nhiều khối đá và một vài vùng nước mặn, nhưng luôn ở nồng độ rấtthấp Có một số lượng khá lớn của cả khoáng liti và mỏ muối nhưng chỉ một ít trong sốchúng thực sự hoặc có tiềm năng giá trị thương phẩm [Wikipedia]

Trong những nơi có trữ lượng liti lớn nhấtlà Salar de Uyuni ở Bolivia, với trữ lượng 5,4triệu tấn USGS ước tính năm 2010, Chile có trữ lượng lớn nhất (7,5 triệu tấn) và sảnlựong hàng năm cao nhất (8.800 tấn) Các nhà cung cấp chính khác như Úc, Argentina vàTrung Quốc Tính đến năm 2015, một Khảo sát địa chất tại cộng hòa Séc coi toàn bộ Dãy

Hình 1.1 Liti nổi trong parafin

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 banđầu của họ tại một địa điểm ở tỉnh Ghazni cho thấy tiềm năng tạo mỏ liti lớn cỡ mỏ ởBolivia, 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 đóngAfghanistan giai đoạn 1979–1989" và "Stephen Peters, trưởng dự án khoáng sảnAfghanistan của USGS, cho rằng ông ta không ông biết về mối liên quan của USGS đếnbất kỳ cuộc thăm dò khoáng sản mới nào tại Afghanistan trong 2 năm qua 'Chúng tôicũng không chắc có bất kỳ phát hiện nào mới về liti." [Wikipedia]

Sau dự tụt giảm giá quy mô công nghiệp của sản phẩm liti cacbonat sau cuộc khủnghoảng 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 vàcũng để giữ vững thị trường của họ, giá năm 2012 tăng lên do nhu cầu liti tăng Bài báoBusiness Week năm 2012 đã nêu ra sự độc quyền về liti như sau: "SQM, được điều hànhbởi 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 từkhoảng 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 thểmang các chất này lên trên bề mặt; việc thu hồi liti có thể được chứng minh trong lĩnh vựcnày Một khi liti được tách ra bằng các kỹ thuật lọc đơn giản, chi phí xử lý và môi trường

Hình 1.2 Biểu đồ trữ lượng mỏ liti các nước trên thế giới

(2014)

về cơ bản là đã bao gồm trong việc vận hành các giếng địa nhiệt này; do đó các tác độngcủa hoạt động này là tích cực [Wikipedia]

Có nhiều quan điểm khác nhau về sản xuất tiềm năng tăng trưởng sản xuất liti Mộtnghiên cứu năm 2008 đã kết luận rằng "việc sản xuất liticacbonat thực tế đạt được sẽ đủchỉ cho một phần nhỏ nhu cầu thị trường PHEV và EV toàn cầu trong tương lai", và "nhucầu từ phân khúc thị trường điện tử cầm tay sẽ tiêu thụ hầu hết trữ sản phẩm gia tăngtrong kế hoạch trong thập niên tới", và "việc sản xuất hàng loạt liti cacbonat không có vẻthân thiện môi trường, nó sẽ gây ra thiệt hại không thể khắc phục các hệ sinh thái sinh tháicần được bảo vệ và các động cơ đẩy LiIon là không phù hợp với các khái niệm về "GreenCar".[Wikipedia]

Tuy nhiên, theo một nghiên cứu được tiến hành năm 2011 tại Phòng thí nghiệmLawrence 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 chạyđiện, theo nghiên cứu chỉ ra rằng 1 tỉ pin Li 40 kWh có thể được sản xuất với trữ lượnghiện tại Một nghiên cứu khác được thực hiện năm 2011 bởi các nhà nghiên cứu từ đạihọc Michigan và Ford Motor cho thấy rằng có đủ tài nguyên liti để cung cấp cho nhu cầutoàn cầu cho đến năm 2100, bao gồm lượng liti cần cho các ứng dụng tiềm năng rộng rãicủa các xe lai điện, plug-in hybrid electricvà pin xe điện Nghiên cứu đã ước tính trữlượng liti toàn cầu đạt khoảng 39 triệu tấn, và nhu cầu cho liti trong chu kỳ 90 năm phântích đạt 12-20 triệu tấn theo kịch bản phát triển kinh tế và tỷ lệ tái chế [Wikipedia]

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 ngàycàng nhiều, ước tính đến năm 2020 thì sản lượng Lithium phải tăng 125% để đáp ứngđược yêu cầu của thị trường Không những thế, hiện nay đã bắt đầu xuất hiện sự thiếu hụtnguồn 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 ngchảy và độ nhớt của vật liệu và làm men sứ trong việc cải thiện các tính chất vật lý baogồm các hệ số giãn nở nhiệt thấp Trên toàn cầu đây là ứng dụng đơn lớn nhất đối với hợpchất liti Liti cacbonat (Li2CO3) thường được sử dụng trong ứng dụng này vì nó chuyểnđổi oxit khi nung nóng [Wikipedia]

Hình 1.3 Ước tính lượng tiêu thụ liti toàn cầu

năm 2011

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 mộtthành phần quan trọng trong các chất điện phân và một trong các thành phần quan trọngtrong pin Do có khối lượng nguyên tử thấp, liti có tỉ lệ khối lượng tích điện và nănglượng cao Loại pin ion liti có thể tạo ra khoảng 3 vôn mỗi ô, so với 2,1 vôn đối với pinaxit 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 sạckhác 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 chấtbazo mạnh và khi nung với mỡ, nó tạo ra một loại xà phòng liti có tên là stearat Xàphòng 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 tụctrong xỉ làm tăng tính linh động,chiếm khoảng 5% lượng liti toàn cầu (2011) Các hợpchất liti cũng được sử dụng làm phụ gia trong cát đúc cho hoạt động đúc sắt nhằm giảmveinin [Wikipedia]

Liti (ở dạng liti florua) được sử dụng làm phụ gia trong nấu chảy nhôm (công nghệHall–Héroult), làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng điện trở suất,nguồn này chiếm3% 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 nhôm).Liti còn có hiệu quả trong việc hỗ trợ sự hoàn hảo của mối hàn silicon nano trongnhững thành phần điện tử cho pin điện và các thiết bị khác [Wikipedia]

liti-1.3.5 Hữu cơ và polyme hóa học

Hợp chất Organolithium được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polyme hóa học Trongngành công nghiệp polyme mà người tiêu dùng chi phối những hợp chất này, hợp chất litiankyl là chất xúc tác trong trùng hợp anionic của nhóm chức Anken Hợp chấtOrganolithium 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 địnhthần kinh được sử dụng để điều trị các rối loạn lưỡng cực, vì không giống như phần lớncác 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 cóích 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 thểcủng giúp ít trong việc chẩn đoán liên quan như rối loạn schizoaffective và trầm cảm cóchu 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 Liticũng 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 phụnăng lượng cao để đẩy tên lửa Li[AlH4] cũng có thể tự chế thành nhiên liệu rắn Một quảngư lôi MK-50 chứa hệ thống năng lượng đẩy hóa học (SCEPS) sử dụng một chiếc xetăng nhỏ chứa khí SF6 rải xuống một khối liti rắn Phản ứng sau đó sinh nhiệt, tạo ra hơinước để đẩy ngư lôi trong một chu kì Rankine khép kín Hiđrua liti chứa liti-6 được sửdụng trong vũ khí nhiệt hạch để bọc thành lõi của bom hạt nhân [Wikipedia]

1.3.8 Hạt nhân

Liti-6 có giá trị làm nguồn nguyên liệu để sảnxuất Triti và chất hấp thụnơtron trong phản ứng tổng hợp hạt nhân Liti tự nhiên chứa khoảng 7.5% liti-6, từ đómột lượng lớn liti-6 được sản xuất bằng phép tách đồng vị để sử dụng trong vũ khí hạtnhân 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 tươngđối để sinh ra sản phẩm Mặc dù các chi tiết được giữ bí mật, hyđro liti-6 nặng dường nhưvẫn có một vai trò làm vật liệu nhiệt hạch trong các vũ khí hạt nhân hiện đại [Wikipedia]

Florid liti có tính hóa học ổn định khác thường và hỗn hợp LiF-BeF2 đạt độ nóngchảy thấp Ngoài ra, 7Li, Be và F là một trong số ít các nuclid với những mặt cắt ngangnhiệt nơtronthấp vừa đủ để không đầu độc các phản ứng phân hạt nhân bên trong một lòphản ứng phân hạt nhân Liti cũng được sử dụng làm nguyên liệu cho hạt alpha hoặc hạtnhân heli Khi 7Li bởi các proton tăng tốc hình thành từ 8Be, nó trải qua quá trình phânhạch 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 đầutiên hoàn toàn do con người thực hiện Các lò phản ứng sử dụng pin liti để chống lạinhững 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 sửdụng 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, nhưLithium Cobalt Oxide (LiCoO2), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như LithiumManganese Oxide ( LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm Vật liệu làm điện

Hình 1.4 Ngư lôi sử dụng nguồn

nguyên liệu từ liti

cực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực gópđiện Trong quá trình nạp/phóng điện, những ion Li+ được điền vào hoặc tách ra từ khe hởgiữa 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 LiMn2O4 hoặcLiNi1-xCoxO2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tínhnăng được cải tiến Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩmđầu tiên Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp đã dùng glaphitelàm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động và tốc

độ nạp được cải tiến

Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầunhững năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm Lợi nhuận thuđược khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thịtrường 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 antoàn 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 trênmột mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứngdụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau Nhằm đáp ứng yêu cầucủa thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những pin hìnhống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm được thiết kế phẳng từ cỡnhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện nay pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồđiện tử như pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dòmìn và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệtinh

Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2%  8% mỗi tháng) và có dải nhiệt độhoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -200C 600C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -400C

650C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi Điện thế của pinLi-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pinNiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin Pin Li-ion có thể cho khả năng tốc độcao 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

-Chu kỳ sống dài

-Dải nhiệt độ hoạt động rộng

-Thời gian hoạt động dài

-Tốc độ tự phóng chậm

-Khả năng nạp nhanh

-Khả năng phóng điện có tốc độ và công

suất cao

-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao

-Năng lượng riêng và mật độ năng lượng

cao

-Không có hiệu ứng nhớ

-Giá trung bình ban đầu

-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao

-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện.-Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bịquá tải

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

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 rẻhơn 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(LiCoO 2 )

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 Nhượcđiểm 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 lànếu 1 pin 18650 với dung lượng 2,400mAh chỉ nên sạc/xả tối đa ở 2,400mA Sạc/xả caohơn giá trị này sẽ dẫn tới tăng nhiệt độ pin và gây nên sức ép lớp lên cell pin Các nhà sảnxuất thường khuyến cáo sạc/xả tối đa ở tầm 0.8C – 80% dung lượng Với pin 2400mAh ở

thêm các mạch bảo vệ để năng pin không bị sạc/xả quá 1C [Nguyễn Thế Khôi, NguyễnHữu Minh - Vật lí Chất rắn]

2.2.2 Lithium Manganese Oxide (LiMn 2 O 4 )

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 làmgiảm nội trở của pin và cải thiện chất lượng dòng xả Ưu điểm nữa của rãnh xoắn là ổnđịnh 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-manganesetrong 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 thờigian dài có thể làn cho nhiệt độ sử dụng tăng Nhiệt độ sử dụng của pin phải không đượcvượt quá 80°C (176°F) Li-manganese được sử dụng cho các công cụ cần nguồn nănglượng lớn, công suất xả cao, các thiết bị y tế, và các xe điện Li-manganese có dung lượngnhỏ hơn 1/3 so với pin Li-cobalt Thiết kế linh hoạt cho phép kỹ sư có thể dễ dàng tối ưupin 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 cỡ1,500mAh

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 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-manganesevới 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(LiFePO 4 )

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