NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
phóng điện được ở nhiệt độ từ -40
0
C
÷
65
0
C ) 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 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 bị quá tải.
-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.
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
5
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp
dụng được trong sản xuất công nghiệp.
6
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Chương 2 - PIN DẪN ION LITIUM
2.1. Cấu tạo
Cấu tạo của một pin Li-ion bao gồm một điện cực dương và một điện
cực âm được ngăn cách bởi một màng ngăn xốp polyethylene hoặc
polypropylene dày từ 16µm đến 25µm. Điện cực dương gồm một vật liệu
hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 25µm, với độ dày đặc
trưng tổng cộng khoảng 180µm. Điện cực âm bao gồm vật liệu
carbonaceous hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 20µm, với
độ dày tổng cộng khoảng 200µm. 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
-10
m
2
s
-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.
Hình 2: 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.
7
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
2.1.1. Pin Li-ion dạng trụ
Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau:
Hình 3: Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ.
Để ứng dụng trong những lĩnh vực đặc biệt hoá, chuyên môn hoá, như
trong vệ tinh, những pin ống lớn được phát triển. Những pin "25Ah" được
phát triển bởi Blue Star Advanced Technology, được miêu tả trong hình
sau:
8
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Hình 4: Những pin Li-ion trụ "25Ah".
Những sản phẩm này dùng LiCoO
2
làm cực dương và graphite làm
cực âm. Khối lượng của những bộ phận cấu thành chính của một pin
(29Ah) được mô tả trong bảng sau:
Bảng 2: Bảng phân tích khối lượng của Pin 29Ah.trụ
Bộ phận cấu thành Khối lượng (g)
Tỉ lệ trong tổng
khối lượng pin (%)
Vỏ 108,5 12,2
Nắp 15,5 1,8
Chất điện li 217,9 24,5
Điện cực dương 339,2 38,1
Điện cực âm 165,0 18,5
Tạp chất 43,4 4,9
Tổng thể 889,5 100
2.1.2. Pin Li-ion lăng trụ phẳng
Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên
bản trụ, chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm trụ.
9
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Hình 5: Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ.
Vỏ của pin sử dụng thép tráng Nikel hoặc thép không gỉ 304L. Vỏ
được phủ kín bằng một trong hai cách điển hình: TIG hoặc hàn bằng máy
laser.
10
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Hình 6: Phần đầu và các điện cực của pin Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện
cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà).
2.2. Các vật liệu chế tạo pin Li-ion
2.2.1. Các vật liệu điện cực dương
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium
dạng LiMO
2
trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn
hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M. Pin Li-
ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO
2
làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo.
Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn
2
O
4
(Spinel) hoặc các vật liệu có
dung lượng cao hơn như LiNi
1-x
Co
x
O
2
.
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.
2.2.1.1. 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 3: Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.
11
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Loại vật liệu
Dung lượng
riêng
(mAh/g)
Thế
trung
bình (v)
Ưu - Nhược điểm
LiCoO
2
155 388 Thông dụng, giá Co đắt.
LiNi
0,7
Co
0,3
O
2
190 370 Giá thành trung bình.
LiNi
0,8
Co
0,2
O
2
205 373 Giá thành trung bình.
LiNi
0,9
Co
0,1
O
2
220 376
Có dung lượng riêng cao
nhất.
LiNiO
2
200 355 Phân li mạnh nhất.
LiMn
2
O
4
120 400
Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít
phân li.
2.2.1.2. 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 LiMO
2
(M = Ni, Co, ) và LiNi
1-x
Co
x
O
2
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 LiMn
2
O
4
(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
LiMO
2
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.
12
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn
2
O
4
và LiCoO
2
:
Hình 7: Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn
2
O
4
và LiCoO
2
.
Trong các vật liệu có cấu trúc loại α-LiFeO
2
các ion Li
+
và Fe
3+
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 γ -
LiFeO
2
các ion Li
+
và Fe
3+
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 α-LiFeO
2
xếp chồng lên
nhau. Trong đó các ion dương Fe
3+
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 α-
LiFeO
2
khi nung trong không khí trong khoảng nhiệt độ từ 300
0
C
÷
500
0
C
sẽ chuyển thành cấu trúc γ - LiFeO
2
. Ngoài ra còn có cấu trúc β với các
kiểu cấu trúc khác nhau là đơn tà và hai pha tứ giác. Trật tự điện tích dương
trong pha đơn tà đã được xác định nhưng trong hai pha tứ giác lại chưa xác
13
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
định được. Kí hiệu β' được sử dụng cho pha đơn tà, còn các kí hiệu β* và
β" được sử dụng cho hai pha có cấu trúc tứ giác nhưng khác nhau tỉ số c/a.
Nói chung, các pha α, β*, β', β" đều là biến thể của LiFeO
2
.
2.2.1.3. Đặc trưng nạp / phóng ( tích/ thoát ) ion Liti của vật liệu catốt
Đặc trưng thế và dung lượng riêng của LiMn
2
O
4
, LiCoO
2
và
LiNi
0,8
Co
0,2
O
2
trong quá trình nạp và phóng đầu tiên (tốc độ C/20) như sau:
Hình 8: Điên áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình
nạp đầu tiên ở 25
0
C (tốc độ C/20).
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét