Khám phá công nghệ pin Lithium-ion – Ưu điểm và ứng dụng hiện đại

Rất nhiều thiết bị hiện đại như Laptop, điện thoại máy ảnh sử dụng pin lion. Và hiện nay pin Lion còn được sử dụng thay thế cho các dòng xe xăng như xe máy điện, ô tô điện. Vậy pin lion là gì? Cấu tạo, đặc điểm và cách hoạt động của loại pin này ra sao? EV Would sẽ đưa bạn tìm hiểu chi tiết về dòng pin Lithium ion.

Pin lion là gì

Pin Lion, hoặc còn được biết đến là pin Lithium ion (LIB), là một công nghệ pin tiên tiến nổi tiếng với đặc điểm nổi bật là khả năng tái sạc nhiều lần. Thành phần chính của Pin Lion là ion lithium, tạo nên cấu trúc hóa học đặc biệt, giúp nó có dung lượng và hiệu suất cao.

Được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử cá nhân như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh số, Pin Lion đã trở thành một phần quan trọng của cuộc sống hiện đại. Khả năng sạc lại của chúng giúp tiết kiệm chi phí và tạo ra trải nghiệm sử dụng thuận lợi hơn cho người dùng.

Ngoài ra, công nghệ Pin Lion cũng đang được áp dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực phương tiện di chuyển chạy bằng điện như xe đạp điện, xe máy điện và ô tô điện. Sự nhẹ nhàng và hiệu suất năng lượng cao của Pin Lion đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các phương tiện di chuyển sạch và thân thiện với môi trường.

Sự hình thành và phát triển

Vào năm 1970, M. Stanley Whittingham, một nhà hóa học người Anh làm việc cho Exxon, đã thực hiện một trong những bước quan trọng đầu tiên trong việc nghiên cứu pin Lithium ion. Ông sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti để tạo ra một điện cực.

Tuy nhiên, pin sạc Lithium ion từ thí nghiệm này không thể áp dụng vào thực tế do nhiều hạn chế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không, điều này tốn kém và không hiệu quả. Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng với không khí và tạo ra các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu. Do đó, Exxon đã dừng việc sản xuất pin Lithium ion dựa trên nghiên cứu của Whittingham.

Vào những năm 1980, John Goodenough, một giáo sư vật lý người Mỹ, đã tiến hành phát minh một loại pin Lithium ion khác. Ông kết hợp lithium coban oxit và ion lithium để tạo ra pin có khả năng di chuyển ion Li+ từ điện cực này sang điện cực kia trong quá trình sạc.

Tiếp theo vào năm 1983, khi Akira Yoshino, một giáo sư tại Đại học Meijo ở Nhật Bản, tạo ra một nguyên mẫu pin Lithium-ion sử dụng lithium cobalt oxit làm cathode và polyacetylene làm cực dương. Nguyên mẫu này đã giới thiệu một cách tiền phong của pin Lion đương đại.

Cuối cùng, pin Lithium ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec vào năm 1991. Từ đó, công nghệ pin Lithium-ion đã trải qua nhiều bước tiến vượt bậc và trở thành loại pin thống trị trên thị trường toàn cầu cho các thiết bị di động, lưu trữ điện, và đặc biệt cho các ô tô điện.

Ưu điểm của pin li-on

Kích thước nhỏ gọn: Pin lion có kích thước nhỏ gọn nhưng lại có khả năng lưu trữ dung lượng năng lượng lớn, giúp cung cấp nguồn điện mạnh mẽ cho các thiết bị di động.

Chi phí bảo trì pin Li-ion thấp và rất ít xảy ra lỗi: Ưu điểm này giúp người dùng tiết kiệm không chỉ chi phí mà còn thời gian và công sức. Điều này giúp tối ưu hóa trải nghiệm sử dụng thiết bị, giảm bất tiện do việc thay thế hoặc sửa chữa pin.

Khả năng bảo quản và giữ mức ổn định: Pin ít trải qua tình trạng tự động xả, giúp duy trì độ sạc lâu dài và ổn định hiệu suất hoạt động của thiết bị di động.

Thân thiện với môi trường: Việc sử dụng các nguyên liệu như lithium và cobalt trong pin giúp giảm lượng chất độc hại cho môi trường, đồng thời làm giảm rủi ro về tác động tiêu cực đối với bầu khí quyển.

Chi phí sản xuất thấp: So với một số loại pin khác pin luon có chi phí sản xuất thấp hơn nhiều. Điều này mang lại lợi ích cho cả nhà sản xuất và người tiêu dùng, giúp giảm giá thành của các sản phẩm sử dụng pin Li-ion và nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

Cấu tạo pin lithium ion

Pin Lithium-ion được cấu tạo bởi các thành phần chính đó chính là: Điện cực dương, điện cực âm, bộ phân tách và chất điện phân. Dưới đây sẽ là chi tiết của những bộ phận đó:

Điện cực dương

Điện cực dương của pin lion hay còn được gọi là cathode, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của pin Lithium ion (Li-ion). Có nhiều vật liệu được sử dụng để tạo điện cực dương, trong đó phổ biến nhất là LicoO2 (Lithium Cobalt Oxide) và LiMnO4 (Lithium Manganese Oxide).

Vật liệu LicoO2 có cấu trúc phân tử chủ yếu bao gồm phân tử Oxide Cobalt được liên kết với nguyên tử Lithium. Khi pin hoạt động, đặc biệt là trong quá trình sạc và giải phóng điện, nguyên tử Lithium trong cấu trúc tách khỏi vật liệu và chuyển thành ion dương Lithium, Li+. Quá trình này làm cho nguyên tử Lithium di chuyển từ cathode đến anode, tạo ra dòng điện và cung cấp năng lượng cho thiết bị..

Ngược lại, vật liệu LiMnO4, Lithium Manganese Oxide, cũng có chức năng tương tự như LicoO2. Cấu trúc phân tử của nó cũng bao gồm các phân tử Oxide Manganese kết hợp với Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, Lithium trong cấu trúc chuyển thành ion dương Lithium, Li+.

Cả hai vật liệu đều chứa Lithium và đóng vai trò quyết định trong việc tạo ra dòng điện chuyển động từ cathode đến anode và ngược lại trong pin Lithium-ion. Sự hiệu quả của các vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dung lượng và hiệu suất của pin.

Điện cực âm

Điện cực âm (anode) được cấu tạo từ than chì (graphene) và các vật liệu cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium, Li+. Khi pin hoạt động, điện cực âm chịu sự tác động của dòng điện và các ion Lithium từ cathode di chuyển đến anode qua bộ phận cách điện.

Than chì, với tính chất độ dẻo và dẫn điện tốt, là vật liệu chủ yếu tạo nên điện cực âm. Các vật liệu cacbon khác, như graphene, được sử dụng để cải thiện khả năng lưu giữ ion Lithium trong tinh thể, tăng cường hiệu suất và tuổi thọ của pin.

Quá trình này diễn ra trong suốt chu kỳ sạc và giải nhiệt độ của pin. Sự chuyển đổi giữa trạng thái Lithium và các vật liệu chứa than chì tạo nên nguồn năng lượng cho các thiết bị sử dụng pin Lithium-ion, từ điện thoại di động đến xe điện và nhiều ứng dụng khác. Cấu trúc và chất liệu của điện cực âm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn cho việc sử dụng pin.

Bộ phân tách

Bộ phân tách hay màng ngăn cách điện được sản xuất từ nhựa Polyethylene (PE) hoặc Polypropylene (PP), bộ phận này đặt giữa cực dương (cathode) và cực âm (anode), có nhiệm vụ chính là ngăn cách sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai cực này. Bằng cách này, bộ phận này giúp ngăn chặn sự xshot circuit và giảm nguy cơ gây cháy nổ trong quá trình sử dụng pin.

Màng ngăn cách thường được thiết kế với nhiều lỗ nhỏ để các ion lithium Li+ có thể di chuyển qua mà không làm mất đi tính cách điện của nó. Điều này giúp duy trì sự cân bằng và hiệu suất hoạt động của pin trong suốt quá trình sạc và giải phóng năng lượng. Bộ phận này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và an toàn của pin Lithium-ion.

Chất điện phân

Chất điện phân là một phần không thể thiếu trong pin Lithium-ion, đây là một dung dịch chứa các thành phần quan trọng như LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch này đóng vai trò quan trọng trong việc truyền ion lithium (Li+) giữa cực dương (cathode) và cực âm (anode) của pin trong quá trình sạc và xả.

Chất điện phân đảm bảo rằng các ion lithium có thể di chuyển linh hoạt và nhanh chóng qua các lỗ nhỏ trong màng ngăn cách điện, giúp duy trì sự cân bằng điện hóa và hiệu suất của pin. Đặc tính dẫn điện của chất điện phân quyết định khả năng chuyển động của các ion lithium trong dung dịch.

Độ dẫn ion liti trong dung dịch điện phân được ổn định ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau. Điều này là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và sản xuất pin để đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả và an toàn.

Pin lithium-ion hoạt động như thế nào

Trong nguyên tắc hoạt động của pin Lithium-ion thì cực âm và cực dương đóng vai trò quan trọng trong phản ứng điện hóa. Cực âm, thường được làm bằng graphite, đóng vai trò chứa và giải phóng ion Lithium (Li+) trong quá trình xả. Còn cực dương, thường được làm bằng oxit Lithium (ví dụ: LiCoO2), đóng vai trò là nơi thu nhận ion Lithium và tạo thành các hợp chất Lithium.

Dung dịch điện phân đóng vai trò là môi trường dẫn ion. Đồng thời, electron di chuyển từ cực dương đến cực âm, tạo ra dòng điện chạy trong mạch ngoài. Cả quá trình này thể hiện ở quy trình xả và sạc. Quy trình được mô tả chi tiết như sau:

Quá trình xả

Quá trình xả của pin Lithium ion diễn ra thông qua một chuỗi phức tạp của các phản ứng điện hóa. Khi pin được kích hoạt để cung cấp năng lượng, các ion lithium dương di chuyển từ cực âm, thường là graphite, qua dung dịch điện phân đến cực dương. Tại cực dương, chúng tương tác với cực dương, tạo ra các phản ứng hóa học giữa ion lithium và vật liệu cực dương.

Mỗi ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin, đồng thời ở mạch ngoài, một electron chuyển động từ cực âm sang cực dương. Sự di chuyển của electron này tạo ra một dòng điện liên tục chạy từ cực dương sang cực âm, tạo nên nguồn năng lượng cho các thiết bị di động. Quá trình này giữ cho cân bằng điện tích giữa hai cực âm và dương.

Quá trình sạc

Quá trình sạc của pin Lithium ion diễn ra ngược lại với quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron được buộc chạy từ điện cực dương của pin (cực âm trong quá trình sạc), trong khi đó ion Lithium tách khỏi cực dương và di chuyển trở về cực âm của pin (đóng vai trò là cực dương trong quá trình sạc). Quá trình sạc và xả pin sẽ đảo ngược nhau trong một chu kỳ hoạt động.

Trong giai đoạn phóng điện, các nguyên tử Lithium ở cực dương trải qua quá trình ion hóa và tách khỏi các điện tử. Các ion Lithium di chuyển từ cực dương và qua chất điện phân cho đến khi chúng đến cực âm. Tại cực âm, chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện, chuẩn bị cho một chu kỳ mới của quá trình sạc và xả.

Ứng dụng của pin li-on trong ngành ô tô điện

Hiện nay, pin Lion đang trở thành công nghệ phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô điện. Trong đó, VinFast là hãng xe ô tô hàng đầu của Việt Nam, đã ứng dụng sử dụng pin lithium-ion cho việc sản xuất xe điện. Sự chuyển đổi này mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho ngành công nghiệp và người tiêu dùng.

Việc sử dụng pin Lithium-ion trong xe ô tô điện đem lại nhiều ưu điểm an toàn. So với các dòng xe sử dụng nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu, pin Lithium-ion ít có khả năng gây cháy nổ. Trong quá trình vận hành, xe điện loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ do không có quá trình đốt cháy nhiên liệu trong xilanh của động cơ.

Pin Lithium ion được nghiên cứu và phát triển một cách nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu suất. Chúng có khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt, với khả năng chống nước tốt và khả năng chịu nhiệt độ từ -20 độ đến 45 độ. Điều này giúp pin hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện thời tiết và môi trường khác nhau.

Sự chuyển đổi sang pin Lion trong xe ô tô điện không chỉ mang lại hiệu suất vận hành tốt mà còn đóng góp tích cực vào việc giảm lượng khí thải và ảnh hưởng độc hại cho môi trường. VinFast đã mở đầu cho xu hướng này và đồng thời đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia ứng dụng công nghệ pin tiên tiến trong ngành ô tô.