Lịch sử ra đời của acquy/pin lithium

Pin lithium xuất hiện vào năm 1912 dưới thời của G.N. Lewis, nhưng phải đến đầu năm 1970, pin lithium mới lần đầu tiên được bán trên thị trường (loại pin này lúc bấy giờ không thể sạc lại). Nỗ lực phát triển pin lithium để có thể sạc lại được thực hiện sau những năm 1980 nhưng không thành công vì sự bất ổn trong lithium kim loại được sử dụng làm vật liệu cực dương.

 

Lithium là loại nhẹ nhất trong tất cả các kim loại, có tiềm năng điện hóa lớn nhất và cung cấp năng lượng riêng lớn nhất trên mỗi khối lượng nhất định. Pin có thể sạc lại bằng kim loại lithium trên cực dương, có thể cung cấp mật độ năng lượng cực cao; tuy nhiên, vào giữa năm 1980 người ta đã phát hiện ra rằng sau mỗi chu kỳ sạc sẽ tạo ra các sợi nhánh không mong muốn trên cực dương. Những phát sinh tăng trưởng này xâm nhập vào dải phân cách và gây chập điện. Nhiệt độ tế bào sẽ tăng lên nhanh chóng và làm nóng chảy các tiếp điểm lithium, gây ra sự thoát nhiệt, còn được gọi là “venting with flame”. Một số lượng lớn acquy pin lithium có thể sạc lại được gửi đến Nhật Bản đã bị thu hồi vào năm 1991 sau khi xuất hiện các trường hợp bị cháy và thoát khí làm bỏng mặt của một người đàn ông.

 

Sự không ổn định vốn có của kim loại lithium, đặc biệt là trong quá trình sạc đã thúc đẩy các chuyên gia chuyển hướng nghiên cứu sang một giải pháp phi kim loại, là sử dụng các ion của lithium. Năm 1991, Sony đã thương mại hóa pin lithium-ion đầu tiên và ngày nay đã trở thành loại pin lưu trữ phát triển nhanh và hứa hẹn nhất trên thị trường công nghệ. Mặc dù mức năng lượng riêng thấp hơn so với pin kim loại Lithium nhưng Li-ion an toàn hơn rất nhiều.

 

Những cải tiến về vật liệu hoạt động và chất điện giải có khả năng tăng thêm mật độ năng lượng. Đặc tính tải tốt và đồ thị phóng điện phẳng cung cấp việc sử dụng hiệu quả năng lượng được lưu trữ trong phổ điện áp phẳng.

 

Năm 1994, chi phí để sản xuất Li-ion với 18650 tế bào hình trụ là hơn 10 đô la Mỹ và dung lượng là 1.100mAh. Năm 2001, giá giảm xuống chỉ còn 3 đô la trong khi dung lượng được cải tiến lên 1.900mAh. Ngày nay, 18650 tế bào dày đặc này cung cấp năng lượng hơn 3.000mAh và chi phí đang giảm dần qua từng năm. Việc chi phí sản xuất giảm, tăng khả năng lưu trữ năng lượng riêng và không sử dụng các vật liệu độc hại đã giúp cho Li-ion thành loại pin được công nhận phổ biến trên toàn cầu cho các ứng dụng di động, công nghiệp nặng, hệ thống điện năng lượng mặt trời, vệ tinh…

 

Lithium-ion là pin bảo trì thấp, một lợi thế mà hầu hết các công nghệ khác không đáp ứng được. Acquy/pin lithium-ion không nên sạc vượt mức và không cần xả “sạch sẽ” để giữ cho nó ở trạng thái tốt. Khả năng xả sâu của Lithium-ion thấp hơn một nửa so với các loại dựa trên niken và điều này rất có ý nghĩa cũng như ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ cực kỳ vượt trội của Li-ion.

 

Các loại acquy/pin lithium-ion

Lithium-ion sử dụng cực âm, cực dương và chất điện phân làm chất dẫn. Cực âm là oxit kim loại và cực dương là carbon xốp. Trong quá trình phóng điện, các ion chảy từ cực dương sang cực âm qua chất điện phân và dải phân tách, điện tích đảo ngược hướng và các ion chảy từ cực âm sang cực dương.

 

Pin lưu trữ Li-ion có nhiều loại nhưng tất cả đều có một điểm chung là sử dụng công nghệ lithium-ion. Mặc dù trông rất giống nhau khi lần đầu chúng ta bắt gặp, nhưng chúng khác nhau về hiệu suất, cách chọn vật liệu cấu tạo và tính năng độc đáo riêng.

 

Từ năm 1997, hầu hết các nhà sản xuất đều đã chuyển sang sử dụng than chì để tối ưu hóa pin hơn. Than chì là một dạng carbon có tính ổn định chu kỳ dài hạn (hay được sử dụng trong bút chì). Nó là vật liệu carbon phổ biến nhất, theo sau là loại carbon cứng và mềm. Carbon Nanotube chưa được ứng dụng vào Li-ion trong thương mại vì chúng có khá rối rắm và ảnh hưởng đến hiệu suất. Một vật liệu trong tương lai hứa hẹn sẽ tăng cường hiệu suất cho Li-ion là graphene.

 

Một số chất phụ gia đã được thử nghiệm, gồm các hợp kim dựa trên silicon, để tăng cường hiệu suất của cực dương than chì. Phải tốn 6 nguyên tử carbon để liên kết với một ion lithium duy nhất; trong khi một nguyên tử silicon có thể liên kết với 4 ion lithium. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, cực dương silicon có thể lưu trữ hơn 20 lần năng lượng so với than chì, nhưng độ giãn nở của cực dương trong quá trình sạc đang là một vấn đề cần được xem xét. Do đó, cực dương silicon nguyên chất là không được thực tế lắm, nhưng việc chỉ thêm vào khoảng 3 – 5% silicon vào cực dương thì có thể đạt được vòng đời tốt.

 

Việc sử dụng lithium-titanate có cấu trúc nano làm phụ gia cực dương cho thấy tuổi thọ chu kỳ rất khả quan, khả năng tải tốt, hiệu suất nhiệt độ thấp và mức độ an toàn vượt trội, nhưng năng lượng riêng lại thấp và chi phí sản xuất cao.

 

Thử nghiệm với vật liệu cực âm và cực dương cho phép các nhà sản xuất tăng cường chất lượng bản chất, nhưng một số tăng cường này có thể làm ảnh hưởng đến một số thứ khác.

 

Các nhà sản xuất có thể đạt được năng lượng riệng cao và chi phí thấp tương đối dễ dàng bằng cách thêm niken thay thế vào cobalt đắt tiền hơn, nhưng điều này lại làm cho tế bào kém ổn định hơn. Các nhà sản xuất có uy tín thường đề cao về tính an toàn sử dụng và tuổi thọ của acquy/pin.

 

Hầu hết các pin Li-ion có chung một thiết kế bao gồm cực dương oxit kim loại được phủ lên thanh nhôm, điện cực âm được làm từ carbon/than chì phủ trên thanh đồng, bộ tách và điện phân làm bằng muối lithium trong dung môi hữu cơ.