Phân loại pin Lithium-ion theo góc nhìn vật liệu

(Phân loại pin Lithium-ion theo góc độ vật liệu)

Tương tự như pin chì và pin niken, ion lithium sử dụng điện cực dương (cathode), điện cực âm (anode) và chất điện phân làm chất dẫn điện. Dây dương là oxit kim loại và điện cực âm được cấu tạo từ than chì xốp. Trong quá trình xả, ion lithium di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương qua chất điện phân và bộ tách; trong quá trình sạc, ion lithium chảy từ điện cực dương sang điện cực âm theo hướng ngược nhau.

 

Khi pin được sạc và xả, Li+ di chuyển giữa các điện cực dương và âm, trong quá trình xả, cực dương bị oxy hóa, mất electron và cực âm bị khử để tạo thành các hạt; khi sạc, điện tích di chuyển theo hướng ngược lại.

 

Có nhiều loại pin lithium-ion, tùy thuộc vào vật liệu điện cực. Nhưng khi bạn chọn vật liệu khác nhau, hiệu suất của pin sẽ khác nhau rất nhiều.

 

Tất cả các vật liệu điện cực dương đều chứa Li+. Oxit lithium coban thông thường (lithium coban oxide), oxit lithium mangan (còn được gọi là spinel hoặc lithium manganate), lithium sắt phosphate, vật liệu ba thành phần niken coban mangan (NMC) [3] và oxit nhôm lithium niken coban (NCA). Tất cả các vật liệu này đều có giới hạn năng lượng trên lý thuyết (lithium-ion có công suất lý thuyết khoảng 2000 kWh, cao hơn mười lần năng lượng riêng của pin lithium-ion thương mại).

 

Pin lithium-ion ban đầu của Sony sử dụng than cốc (một sản phẩm từ than) làm vật liệu điện cực có hại. Từ năm 1997, hầu hết các nhà sản xuất pin lithium-ion, bao gồm cả Sony, đã chuyển đổi vật liệu anot thành than chì, tạo ra đường cong phóng điện phẳng. Than chì là một dạng cacbon được sử dụng trong bút chì. Nó có thể lưu trữ ion lithium tốt trong quá trình sạc và có chu kỳ dài và độ ổn định tuyệt vời. Trong số các vật liệu cacbon, than chì là phổ biến nhất, tiếp theo là cacbon cứng và cacbon mềm. Các loại cacbon khác, chẳng hạn như ống nano cacbon, vẫn chưa tìm thấy ứng dụng thương mại của chúng. Hình bên dưới so sánh các đường cong phóng điện áp của pin lithium-ion hiện đại với than chì làm điện cực âm và pin lithium-ion với điện cực âm than cốc cũ.

 

Trong phạm vi xả hoạt động bình thường, pin phải có đường cong điện áp phẳng, tốt hơn so với pin than cốc trước đây.

 

Vật liệu anode cũng đang phát triển và các nhà nghiên cứu liên tục thử nghiệm với các vật liệu mới, bao gồm hợp kim gốc silicon. Trong hợp kim này, sáu nguyên tử carbon liên kết với một ion lithium và một nguyên tử silicon có thể liên kết với bốn ion lithium. Điều này có nghĩa là điện cực silicon âm về mặt lý thuyết có thể lưu trữ năng lượng gấp mười lần vật liệu graphite. Hiện tại, vật liệu silicon đã tăng 20%-30% về công suất riêng với cái giá phải trả là giảm điện thế tải và tuổi thọ chu kỳ. Tuy nhiên, vấn đề là trong quá trình sạc, các ion lithium dễ dàng giãn nở về thể tích sau khi được nhúng vào vật liệu gốc silicon (phát triển đến hơn bốn lần kích thước ban đầu).

 

Muối titanat lithium có cấu trúc nano có tuổi thọ chu kỳ và khả năng chịu tải tốt, hiệu suất nhiệt độ thấp tuyệt vời và hiệu suất an toàn chức năng như một vật liệu điện cực có hại. Tuy nhiên, chức năng cụ thể của nó thấp và chi phí cao.

(Phân loại pin Lithium-ion theo góc độ vật liệu)