Pin Lithium là gì? Cấu tạo và so sánh chi tiết với ắc quy chì truyền thống

1. Pin Lithium ion là gì?

Pin Lithium ion hay còn gọi là pin li-on, viết tắt là LIB. Đây là công nghệ pin tiên tiến có ion lithium là thành phần chính, điều đặc biệt là loại pin này có thể sạc được.

Pin Lithium thường dùng cho các thiết bị như: Điện thoại, máy tính, máy chụp hình… Hiện nay, pin lithium còn được chú trọng phát triển trên những ứng dụng phương tiện di chuyển chạy bằng điện như: Xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện… hoặc kỹ thuật ở các ngành quân đội, hàng không…

2. Lịch sử phát triển của pin Lithium ion

Vào năm 1970, M. Stanley Whittingham là nhà hóa học người Anh, khi làm việc cho Exxon, đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium từ thí nghiệm này không thể ứng dụng vào thực tế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không. Nếu để thực hiện điều này sẽ rất tốn kém (khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970).

Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí. Chính vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham.

Lịch sử phát triển pin lithium-ion trải qua sự phát triển của 3 giáo sư (Nguồn: Sưu tầm)

Năm 1980, John Goodenough là giáo sư vật lý người Mỹ đã phát minh ra một loại pin lithium khác. Ông đã tạo ra pin lithium nhờ sự kết hợp giữa lithium coban oxit, có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dưới dạng ion Li+.

Đến năm 1983, Akira Yoshino giáo sư của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Nguyên mẫu này có vật liệu cực dương không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dương trong quá trình sạc. Phát minh này của Yoshino là tiền thân trực tiếp của pin Lithium-ion (LIB) thời hiện đại.

Pin lithium-ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec năm 1991. Ngày nay lithium đã trở thành loại pin thống trị trên thị trường dành cho các thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS trên toàn thế giới, đặc biệt là ô tô điện.

Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion là:

– Lithium-Cobalt Oxide

– Lithium-titanate: Dùng cho ô tô điện, xe đạp, xe tay ga, mô tô

– Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide

– Lithium-Mangan Oxit

– Lithium-Iron Phosphate

3. Cấu tạo pin Lithium ion

Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

Cấu tạo của pin lithium-ion bao gồm 3 bộ phận chính (Nguồn: Sưu tầm)

– Điện cực dương (Cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.

– Điện cực âm (Anode)

Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.

– Bộ phân tách

Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.

– Chất điện phân

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ.

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

4. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion thể hiện qua quy trình sạc (Nguồn: Sưu tầm)

– Quy trình xả:

Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.

– Quy trình sạc:

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

5. So sánh pin Lithium với ắc quy chì

	Pin Lithium	Ắc quy chì
Độ bền	Khoảng 4 – 5 năm	Khoảng 1 năm
Mật độ năng lượng sạc – xả	20 Wh/kg, chịu được dòng xả lớn dạng xung (trong thời gian ngắn) và chịu tải cao.	32 Wh/kg, chỉ chịu được dòng xả nhỏ và khả năng chịu tải kém.
Thời gian sạc	Nhanh, 3 – 4 tiếng, thậm chí vài phút. Sử dụng hết pin (gọi là xả), không lo bị hỏng pin sau một thời gian sử dụng.	Chậm, 6 – 8 tiếng. Nếu bị xả quá 50% mà không được sạc đầy, thì ắn quy dễ bị hỏng sau 1 – 2 tháng sử dụng. Nếu bị xả tới tận đáy sẽ xuất hiện PbSO4 gây hỏng bản cực và chết
Khối lượng	Nhẹ, khoảng 3 – 4 kg	Khá nặng, 12 – 15 kg
Khả năng chống nước	Có	Không
Bảo hành	Tùy nhà sản xuất (thời gian lâu)	Tùy nhà sản xuất (thời gian ngắn)
Khả năng chống cháy nổ	Cao	Thấp
Ảnh hưởng môi trường	Ít, vì được cấu tạo bởi những cell rắn lithium, không có chì hoặc axit.	Nhiều, vì được cấu tạo bởi chì và axit.

6. Pin Lithium có bền không?

Sau khi so sánh về các yếu tố giữa pin Lithium và ắc quy chì, chúng ta thấy rằng việc sử dụng pin Lithium có nhiều ưu điểm và dĩ nhiên độ bền của loại pin này cao hơn ắc quy chì rất nhiều.

Pin Lithium mang lại hiệu suất hoạt động trên 90%, cho tốc độ sạc nhanh và giảm tải cho bộ phận nạp điện của thiết bị điện khi sử dụng. Độ bền của pin Lithium có thể kéo dài đến 4 – 5 năm, trong khi ắc quy chì chỉ khoảng 1 năm.

Pin Lithium có bền không?

7. 5 loại pin Lithium thường dùng cho xe máy điện giá rẻ, tốt nhất

Pin Lithium sở hữu nhiều ưu điểm, hãy để Điện máy XANH gợi ý cho bạn 5 loại pin này thường dùng cho xe máy điện đang có giá rẻ và tốt nhất hiện nay:

Pin Lithium 48V 12Ah LiBa

Sản xuất: tại Việt Nam bởi hãng 365.
Kích thước: 7 x 11,5 x 25 cm.
Khối lượng: nhẹ, chỉ 3,5 kg.
Điện thế: 48 V.
Dung lượng: 12 Ah và 15 Ah, có thể sạc an toàn ở dòng 1 A – 3 A.
Số lần sạc: 1.000 đến 2.000 lần.
Thương hiệu xe điện có thể dùng: Yamaha, Yadea, Giant, HKBike và Aima.
Giá bán khoảng: 5.100.000 VND.

Pin Lithium 48V 12Ah LiBa

Pin Lithium-Ion 20V/4.Ah Ingco FBLI2002

Sản xuất: tại Trung Quốc bởi thương hiệu Ingco.
Kích thước: dài 35 cm.
Điện thế: 20 V.
Dung lượng: 4.0 Ah.
Giá bán khoảng: 1.095.000 VND (có nhiều mức giá khác nhau giữa đơn vị bán).

Pin Lithium-Ion 20V/4.Ah Ingco FBLI2002

Pin Lithium Phosphate 3.2V 20Ah 10C

Sản xuất: tại Trung Quốc.
Nội trở cực thấp chỉ 0.6 million
Chu kì nạp xả: hơn 2000 lần
Phù hợp cho dòng xe máy điện, hoặc xe sử dụng năng lượng mặt trời.
Giá bán khoảng: 245.000 VND.