Pin Lithium là loại pin sạc phổ biến nhờ mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và hiệu suất vượt trội. Trong quá trình hoạt động, các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực dương và cực âm thông qua chất điện phân để tạo ra hoặc lưu trữ năng lượng điện. Bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ pin Lithium hoạt động như thế nào.

1. Tổng quan

Những nghiên cứu tiên phong về pin lithium đã được bắt đầu từ năm 1912 bởi G.N. Lewis, nhưng phải đến đầu những năm 1970, những thỏi pin lithium không sạc (pin sơ cấp) đầu tiên mới có mặt trên thương trường. Các nỗ lực nhằm phát triển pin lithium có thể sạc lại (pin thứ cấp) tiếp tục được triển khai vào những năm 1980 nhưng đã thất bại do tính mất ổn định của lithium kim loại (metallic lithium) khi sử dụng làm vật liệu cực âm (anode). (Lưu ý kỹ thuật: Pin lithium-kim loại sử dụng lithium làm anode; trong khi pin Li-ion sử dụng graphite làm anode và các vật liệu hoạt tính cấu thành cực dương – cathode).

Lithium là kim loại nhẹ nhất trong số tất cả các kim loại, sở hữu tiềm năng điện hóa lớn nhất và cung cấp năng lượng riêng lớn nhất tính theo trọng lượng. Các loại pin sạc sử dụng lithium kim loại ở cực âm có thể cung cấp mật độ năng lượng cao một cách phi thường. Tuy nhiên, vào giữa những năm 1980, người ta phát hiện ra rằng quá trình nạp/xả tạo ra các nhánh gai/tinh thể hình cây không mong muốn trên cực âm. Những hạt phát triển này đâm xuyên qua màng ngăn và gây ra hiện tượng đoản mạch điện nội bộ. Nhiệt độ cell pin sẽ tăng nhanh chóng và tiến gần đến điểm nóng chảy của lithium, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt. Một số lượng lớn pin lithium kim loại sạc lại được phân phối đến Nhật Bản đã bị thu hồi vào năm 1991 sau khi một viên pin trong điện thoại di động phát nổ giải phóng khí cháy và gây bỏng cho mặt người dùng. Tính chất mất ổn định vốn có của lithium kim loại, đặc biệt là trong quá trình sạc, đã chuyển hướng nghiên cứu sang một giải pháp phi kim loại sử dụng các ion lithium.

Năm 1991, Sony đã thương mại hóa viên pin Li-ion đầu tiên, và ngày nay, dạng hóa chất này đã trở thành loại pin hứa hẹn nhất và phát triển nhanh nhất trên thị trường. Mặc dù có năng lượng riêng thấp hơn so với lithium kim loại, Li-ion vẫn an toàn, miễn là các giới hạn về điện áp và dòng điện được tuân thủ nghiêm ngặt.

Việc phát minh ra pin lithium-cobalt-oxide nhờ vào John B. Goodenough (1922). Người ta kể lại rằng trong quá trình phát triển, một nghiên cứu sinh được thuê bởi Nippon Telephone & Telegraph (NTT) đã làm việc với Goodenough tại Mỹ. Sau khi hoàn thành nghiên cứu, người sinh viên này đã trở về Nhật Bản mang theo phát minh đó. Sau đó, vào năm 1991, NTT đã công bố sáng chế về pin Li-ion.

Cuộc chiến pháp lý kéo dài nhiều năm sau đó, nhưng Sony đã đi trước một bước và giành được thành quả thương mại khi tích hợp viên pin này vào các máy quay video thế hệ mới của họ. Trái tim của hệ thống năng lượng này là cell pin dạng trụ tròn mã 18650, một kiểu đóng gói mang tính đột phá cho phép sản xuất tự động với sản lượng lớn và chi phí thấp. Cell 18650 có kích thước đường kính 18mm và chiều dài 65mm.

Li-ion là loại pin yêu cầu bảo dưỡng thấp, một ưu điểm mà hầu hết các dạng hóa chất pin khác không thể có được. Pin không có hiệu ứng nhớ (memory effect) và không cần quy trình xả sâu định kỳ để duy trì trạng thái hoạt động tốt. Điện áp danh định (nominal cell voltage) của một cell đơn là 3.60V, mức điện áp cao này giúp đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và giảm chi phí so với các thiết kế đa cell tích hợp. Nhược điểm của loại pin này là bắt buộc phải có các mạch bảo vệ (protection circuits), cùng với giá thành còn cao.

2. Các Loại Pin Lithium-ion (Types of Lithium-ion Batteries)

Pin Li-ion sử dụng một cực dương (cathode – điện cực tích điện dương), một cực âm (anode – điện cực tích điện âm) và chất điện phân đóng vai trò làm dung môi dẫn điện. (Lưu ý: Cực âm của pin khi đang xả là cực âm (negative) và cực dương là cực dương (positive). Cực dương của pin thường làm bằng oxit kim loại và cực âm cấu thành từ carbon xốp).

Trong quá trình xả (discharge), các ion lithium dịch chuyển từ cực âm (anode) sang cực dương (cathode) thông qua chất điện phân và màng ngăn; quá trình sạc (charge) sẽ đảo ngược hướng đi này và các ion dịch chuyển ngược lại từ cực dương (cathode) sang cực âm (anode). Hình 1 minh họa cho quá trình này.

Hình 1: Dòng dịch chuyển ion trong pin Lithium-ion.

Khi cell pin sạc và xả, các ion dịch chuyển qua lại giữa cực dương (cathode) và cực âm (anode). Khi xả, cực âm (anode) trải qua quá trình oxy hóa (oxidation) và mất electron; cực dương (cathode) trải qua quá trình khử (reduction) và nhận electron. Quá trình sạc sẽ đảo ngược chuyển động này.

Pin Li-ion có rất nhiều biến thể khác nhau nhưng tất cả đều có một điểm chung là thuật ngữ “lithium-ion”. Mặc dù thoạt nhìn rất giống nhau, những loại pin này có sự khác biệt lớn về hiệu suất, và việc lựa chọn các vật liệu hoạt tính sẽ mang lại cho chúng những đặc tính hoạt động riêng biệt.

Viên pin lithium-ion nguyên bản của Sony sử dụng coke làm cực âm (một sản phẩm phế liệu từ than đá). Kể từ năm 1997, hầu hết các nhà sản xuất Li-ion, bao gồm cả Sony, đã chuyển sang sử dụng graphite để đạt được đường cong xả điện áp phẳng hơn (flatter discharge curve). Graphite là một dạng carbon có độ ổn định chu kỳ dài hạn và thường được sử dụng trong bút chì đen. Hình 2 minh họa đường cong xả điện áp của pin Li-ion hiện đại sử dụng anode graphite so với phiên bản sử dụng anode cốc thời kỳ đầu.

Hình 2: Đường cong xả điện áp của Lithium-ion. Một thỏi pin nên có một đường cong điện áp phẳng trong dải xả hữu dụng. Anode graphite hiện đại thực hiện điều này tốt hơn so với phiên bản sử dụng vật liệu cốc đời đầu. (Nguồn: Cadex)

Nhiều chất phụ gia đã được thử nghiệm, bao gồm các hợp kim gốc silicon (silicon-based alloys), nhằm nâng cao hiệu suất của cực âm graphite. Việc bổ sung silicon giúp tăng dung lượng lên đáng kể, nhưng vật liệu này sẽ bị giãn nở và co ngót trong quá trình sạc và xả, gây ra hiện tượng kém ổn định về cơ học.

Việc thử nghiệm với các vật liệu cực dương (cathode) và cực âm (anode) khác nhau cho phép các nhà sản xuất tăng cường các đặc tính nội tại của pin, tuy nhiên, một cải tiến về đặc tính này thường có thể làm tổn hại đến một đặc tính khác. Ví dụ, việc tối ưu hóa cho “Năng lượng riêng” (Specific Energy) nhằm kéo dài thời gian hoạt động thường dẫn đến việc giảm “Công suất riêng” (Specific Power) – khả năng cung cấp dòng điện tải cao hoặc làm giảm tuổi thọ chu kỳ (cycle life).

Các nhà sản xuất pin thường ưu tiên mật độ năng lượng cao hơn là tuổi thọ chu kỳ đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng thông thường. Mặt khác, các loại pin được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp – chẳng hạn như dụng cụ điện cầm tay và hệ thống truyền động xe điện (EV powertrains) – thường yêu cầu cấu hình “Pin công suất” (Power Cell) hoặc cấu hình lai (hybrid), ưu tiên khả năng chịu tải dòng điện cao và tuổi thọ kéo dài hơn là mật độ năng lượng tối đa.

3. Ưu điểm và Hạn chế của Pin Li-ion (Advantages and Limitations)

Dưới đây là bảng tổng hợp các đặc tính kỹ thuật cốt lõi của hệ thống pin Lithium-ion:

Ưu điểm

Hạn chế

• Năng lượng riêng cao và khả năng chịu tải dòng lớn khi cấu hình dạng Pin công suất.

• Yêu cầu mạch bảo vệ (BMS/protection circuit) để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt nếu bị quá tải điện hoặc cơ học.

• Tuổi thọ chu kỳ dài và kéo dài thời gian lưu kho; không cần bảo dưỡng định kỳ.

• Bị suy giảm chất lượng ở nhiệt độ cao và khi lưu trữ ở trạng thái điện áp cao (high voltage / đầy pin).

• Dung lượng lớn, điện trở trong (internal resistance) thấp, hiệu suất nạp-xả dòng Coulomb (coulombic efficiency) tốt.

• Không thể sạc nhanh ở nhiệt độ đóng băng (<0°C, <32°F) do nguy cơ mạ lithium (lithium plating) gây đoản mạch.

• Thuật toán sạc đơn giản và thời gian sạc ngắn một cách hợp lý.

• Chịu các quy định nghiêm ngặt về vận tải khi vận chuyển với số lượng lớn (quy định hàng nguy hiểm).

• Tốc độ tự xả thấp (ít hơn một nửa so với pin NiCd và NiMH).

Trên đây là thông tin về chủ đề pin Lithium hoạt động như thế nào mà trung tâm NSA muốn gửi đến bạn. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn!