Pin Li-ion là gì? Tại sao nó lại phổ biến như vậy?

Pin lithium-ion là gì?

Pin lithium-ion hay pin Li-on (viết tắt là LIB) có thể tích trữ điện năng dưới dạng năng lượng hóa học. Pin LIB gồm 2 loại có thể nạp lại và không nạp lại đều là sản phẩm thương mại có sẵn trên thị trường. Loại pin LIB không nạp lại được (cũng được gọi là pin sơ cấp) có thời hạn sử dụng dài và tỷ lệ tự phóng điện thấp và thường được sản xuất dưới dạng pin cúc áo nhỏ cho các thiết bị như thiết bị điện tử di động của người dùng, đồng hồ đeo tay và tai nghe. Loại pin LIB có thể nạp lại được (cũng được gọi là pin thứ cấp) được sử dụng cho tất cả các thiết bị điện tử người dùng và hiện đang xâm nhập vào các thị trường mới như xe chạy bằng điện và tích trữ điện năng quy mô lớn. Pin sạc LIB có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ hệ thống điện như điều chỉnh tần số sơ cấp, điều chỉnh điện áp và dịch chuyển phụ tải, cũng như tích trữ điện năng tại từng hộ gia đình. Trong phần dưới đây, chúng tôi chỉ tập trung vào pin sạc LIB.

Một pin LIB bao gồm hai điện cực rỗng được ngăn cách bởi một lớp màng có lỗ rỗng. Một chất điện phân dạng lỏng lấp đầy các lỗ rỗng trong các điện cực và màng ngăn. Muối lithium (VD: LiPF6) được hòa tan trong chất điện phân để tạo ra các ion Li+ và PF6-. Các ion này có thể di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác thông qua các lỗ trong điện cực và màng ngăn. Các vật chất trong cả điện cực âm và dương đều có thể phản ứng với các ion Li+. Điện cực âm trong pin LIB thường được làm từ carbon và điện cực dương được làm từ oxit kim loại Lithium. Các điện tử không thể di chuyển thông qua chất điện phân và màng ngăn ngăn cách về vật lý giữa các điện cực nhằm tránh trường hợp các điện tử di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương và gây ra đoản mạch trong pin. Các thành phần trong pin LIB được mô tả trong hình bên.

Khi hai điện cực được kết nối thông qua mạch điện bên ngoài, pin bắt đầu phóng điện. Trong quá trình phóng điện, các điện tử chạy qua mạch điện bên ngoài để đi từ điện cực âm sang điện cực dương. Đồng thời các ion Li+ sẽ rời khỏi điện cực âm và di chuyển sang điện cực dương thông qua chất điện phân, tại đây các ion này sẽ phản ứng với điện cực dương.

Quá trình này diễn ra hoàn toàn tự nhiên do hai điện cực này được làm từ các vật liệu khác nhau. Để giải thích một cách dễ hiểu, điện cực dương “thích" các điện tử và các ion Li+ hơn là điện cực âm. Năng lượng được giải phóng khi có một ion Li+ và một điện tử rời khỏi điện cực âm và tiến đến điện cực dương được tính bằng điện áp của pin nhân với điện tích của điện tử. Nói cách khác, điện áp của pin – cũng được gọi là lực điện động (EMF) – là năng lượng được giải phóng từ mỗi điện tử trong quá trình phóng điện.

EMF thường ở mức khoảng 3-4 Volt và phụ thuộc vào hóa chất trong pin LIB, nhiệt độ và trạng thái nạp điện (gọi tắt là SOC – xem thông tin bên dưới). Ví dụ, khi một bóng đèn được bổ sung vào mạch điên ngoài, điện áp giảm chủ yếu khi qua bóng đèn đó và do đó năng lượng được giải phóng trong pin LIB bị tiêu hao tại bóng đèn. Nếu bóng đèn được thay thế bằng một nguồn điện áp (VD: nguồn cấp điện) thì quá trình diễn ra trong pin có thể bị đảo ngược và khi đó điện năng có thể được tích trữ trong pin.

Quá trình phóng điện và nạp điện được mô tả trong hình dưới đây. Pin giải phóng toàn bộ điện năng khi hầu như tất cả Lithium rời khỏi điện cực âm và phản ứng với điện cực dương. Nếu pin giải phóng điện năng vượt quá mức này, các chất hóa học trong điện cực sẽ trở nên không ổn định và bắt đầu thoái hóa. Khi pin LIB giải phóng toàn bộ điện năng, EMF ở mức thấp so với khi pin được nạp đầy. Chất hóa học trong mỗi pin LIB có một dải điện áp an toàn cho EMF và các điểm chết của dải điện áp này thường tương ứng với 0% và 100% trạng thái nạp điện (SOC). Công suất phóng điện được đo bằng đơn vị Ampe nhân giờ, Ah, và phụ thuộc vào loại và khối lượng vật liệu trong các điện cực.

Sơ đồ giản lược hệ thống pin LIB ở chế độ phóng điện và nạp điện. Trong quá trình phóng điện, các ion Li+ di chuyển từ điện cực âm (hình bên trái) sang điện cực dương. Quá trình này được đảo ngược khi ở chế độ nạp điện (hình bên phải).

Các pin lithium đầu tiên được phát triển từ đầu thập niên 1970 và hãng Sony đã công bố pin lithium-ion thương mại đầu tiên vào năm 1991. Trong thập niên 90 và đầu những năm 2000, các pin LIB dần dần được phát triển nâng cấp hơn do sự thúc đẩy của thị trường điện thoại di động. Sản phẩm Tesla Roadster đã được giới thiệu đến khách hàng năm 2008 và là loạt xe chạy hoàn toàn bằng điện được hoạt động hợp pháp trên đường cao tốc, sử dụng pin lithium-ion. Và vào khoảng năm 2010, công nghệ LIB được mở rộng ứng dụng cho lĩnh vực tích trữ năng lượng.

Pin Lithium-ion chế tạo từ những thành phần nào?

Bảng dưới đây so sánh 3 nhóm hóa chất được sử dụng phổ biến nhất trong pin LIB đối với các hệ thống pin LIB nối lưới và các nhà sản xuất chính. Các hóa chất khác cho pin LIB như LCO, LMO và NCA không được sử dụng để tích năng cho lưới điện và do đó không được đưa vào bảng này. Số liệu trong bảng này được lấy từ các nhà sản xuất pin, nhà cung cấp sản phẩm hoặc hệ thống. NMC là nhóm hóa chất phổ biến nhất trong ba nhóm hóa chất do sản lượng sản xuất tăng cao và giá thành giảm trong ngành máy móc tự động. Pin NMC có có mật độ năng lượng cao nhưng lại sử dụng coban. Các thách thức đối với môi trường khi sử dụng coban được mô tả trong mục “Môi trường".

Pin LFP không sử dụng coban trong catôt, nhưng không được sử dụng phổ biến như NMC, và do đó thường có giá cao hơn, chủ yếu do sản lượng sản xuất thấp hơn.

Cả pin NMC và LFP đều có anôt bằng graphit. Nguyên nhân chính làm thoái hóa pin LIB sử dụng hóa chất NMC và LFP đó là sự tách lớp graphit và thoái hóa điện cực, xảy ra trong quá trình duy trì tích năng.

Pin LIB sử dụng hóa chất LTO là pin hóa chất đắt nhất trong ba loại hóa chất. Trong các pin LTO, anôt bằng graphit được thay thế bằng anôt Lithium titanat. Catôt của pin LTO có thể sử dụng NMC, LFP hoặc hóa chất khác cho catôt của pin. Nét đặc trưng của pin LTO là có tuổi thọ dài và số chu kỳ sạc pin lớn.

- Bao bì sản phẩm pin Lithium-ion

Các hình thức đóng bao bì phổ biến nhất cho các pin LIB được minh họa trong hình dưới đây. Các ví dụ được trình bày trong hình tiếp theo. Hình (a) cung cấp sơ đồ phác họa pin LIB hình trụ. Các pin hình trụ được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị từ các máy tính xách tay và công cụ điện cho đến bộ pin tích điện Tesla. Hình (a) mô tả pin LIB hình trụ Tesla 21700 của có đường kính 21 mm và chiều dài 70 mm. Pin này được sản xuất tại nhà máy Gigafactory 1 cho xe điện Tesla 3. Hình (b) phác họa pin LIB dạng đồng xu. Các pin đồng xu thường được sử dụng làm pin sơ cấp trong các thiết bị điện tử di động người dùng, đồng hồ đeo tay và tai nghe.

Do các pin này không được sử dụng làm pin thứ cấp (pin có thể sạc) trong các hệ thống tích năng bằng pin LIB nên sẽ không được trình bày trong phần này. Hình (c) thể hiện sơ đồ phác họa pin LIB dạng lăng trụ. Các pin LIB dạng lăng trụ thường được ứng dụng trong công nghiệp và các hệ thống tích năng bằng pin LIB nối lưới.

Pin LIB dạng lăng trụ SDI của Samsung được minh họa trong Hình (b). Loại pin này được sử dụng trong BMW i3. Hình (d) thể hiện sơ đồ phác họa pin LIB dạng túi. Hình (c) minh họa pin LIB NMC dạng túi LG Chem được sử dụng trong các hệ thống tích năng bằng pin LIB nối lưới của LG Chem. Các pin LIB dạng túi được sử dụng trong các phương tiện chạy bằng điện như Nissan Leaf.

Trong đó: (a) Hình trụ; (b) Hình đồng xu; (c) Hình lăng trụ; (d) Dạng túi

Intech Energy là một trong những tổng thầu EPC uy tín trong lĩnh vực cung cấp các giải pháp lắp đặt, cung cấp vật tư và thi công lắp đặt các dự án điện mặt trời trên toàn quốc quy mô từ hộ gia đình đến các dự án cho doanh nghiệp. Chúng tôi có hơn 10 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành điện mặt trời và năng lượng tái tạo, luôn cam kết tư vấn tận tâm cho khách hàng để đem tới giải pháp hiệu quả với sản phẩm chất lượng, giá cả cạnh tranh với mục đích phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch để "Kiến tạo cuộc sống xanh".

Tham khảo thêm:
Ưu nhược điểm của năng lượng tái tạo?
Những tấm pin năng lượng mặt trời tốt nhất hiện nay
Năng lượng tái tạo là gì? Ưu và nhược điểm của năng lượng tái tạo