NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các
nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho
cuộc sống hiện tại và trong tuơng lai của con người. Các yêu cầu đặt ra
hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại
với môi trường. Có nhiều biện pháp được đưa ra để đáp ứng những yêu cầu
đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió…và một
trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng, có thể
tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện
đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết
bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại di động …) Để đảm bảo các
thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp,
có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt gọn
nhẹ, an toàn.
Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêu cầu trên.
Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp. Nửa
đầu những năm 90 của thế kỉ trước, trên thị trường bắt đầu xuất hiện pin
NiMH ( Nikel Metal Hydride ) do NiCd gây ô nhiễm môi trường. Và từ
năm 2000 pin NiMH được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ).
Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục
tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6%
÷
8%.
1
NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học
Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những
công trình khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành
nhằm nâng cao chất lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa
4
), phủ trên một
cực góp điện bằng lá nhôm. Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon,
cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực góp điện. Trong quá
trình nạp/phóng điện, những ion Li
+
được điền vào hoặc tách ra từ khe hở
giữa những lớp nguyên tử phía trong những vật liệu hoạt động.
Những loại pin đầu trên được thương phẩm hóa và đa số thuộc những dòng
khả dụng, dùng LiCoO
2
, như vật liệu làm điện cực dương. LiCoO
2
cho tính
năng điện tốt, dễ chế tạo, tính an toàn cao và tương đối không nhạy cảm với
những quá trình biến đổi và độ ẩm. Gần đây nhữnh vật liệu có giá thành
thấp hơn, hoặc hiệu suất cao hơn, như LiMn
2
O
4
hoặc LiNi
1-x
Co
x
O
2
đã được
đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tính năng được
cải tiến. Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương
phẩm đầu tiên. Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công
0
C,
4
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.
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".
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
+
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:
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+
trong pha đơn tà đã được xác định nhưng trong hai pha tứ giác lại chưa xác
13
Copyright: Tài liệu đại học ©