Pin Lithium là gì? Cấu tạo pin Lion và các ứng dụng hiện nay

Pin Lithium là một trong nhưng công nghệ lưu trữ điện năng với hiệu suất hoạt động tốt nhất mà con người đã phát minh ra hiện nay. Sản phẩm với công nghệ tiên tiến được tích hợp vào cục pin, với khả năng sạc nhanh, chịu được nhiệt độ cao, độ bền lớn, an toàn với người sử dụng.

Vậy các mẫu Pin Lithium còn có đặc điểm thế nào? Cùng theo dõi chi tiết bài viết dưới đây của Goldsun nhé!Hình trụ lớn, hình trụ nhỏ, hình phẳng, hình trụ tròn, dạng túi

✅ Chủng loại	⭐ Pin Lion/Pin Lithium
✅ Khối lượng	⭐ Nhẹ
✅ Thời gian sạc đầy	⭐ 2 – 2,5 giờ
✅ Tuổi thọ	⭐ 4 – 5 năm

Pin Lithium là gì?

Theo Wikipedia:

Pin Lithium hay Pin Li-ion/pin lithi-ion có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Lithi chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng)

LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion lithi sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra

Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực dương là graphite.

Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion lithi chuyển dịch từ cực này sang cực khác, nghĩa là có khả năng dẫn ion lithi. Tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.

LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự xả

Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không. Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện

Hơn nữa, việc thay thế cho ắc quy chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi trường sạch, nâng cao an toàn sử dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa acid, và hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc quy.

Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LIB khác nhau. Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium cobalt oxide làm cực âm. Chất này có mật độ năng lượng cao, nhưng kém an toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ

Lithium sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxide (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxide (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biển khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn. Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế. Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện

Lithi niken coban nhôm oxide (LiNiCoAlO2 hay NCA) và lithi titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt. Pin lithi-lưu huỳnh hay pin lithi-sulfide là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ.

Do pin lithi-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy, nên nó trở nên đặc biệt nguy hiểm khi áp suất bên trong cell pin tăng cao khi được sạc và xả với cường độ dòng điện lớn

Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ. Do nguy cơ này, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin dung dịch điện ly acid rất nhiều

Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016Các lĩnh vực nghiên cứu về pin lithium-ion bao gồm kéo dài vòng đời pin, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin

Lịch sử phát triển Pin Lithium

Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970

Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfide và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan disulfide là một lựa chọn tồi, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfide trong những năm 1970).

Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfide phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfide có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfide – lithium này của Whittingham

Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn, vì lithium là một chất phản ứng mạnh; Nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí. Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.

Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991. Ngày nay, pin li-ion đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới.

 

Cấu tạo Pin Lithium

Cấu  tạo pin Lithium khá đơn giản bao gồm 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện thiết kế hiện đại.

Công dụng chi tiết của từng bộ phận như sau:

• 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.

Phân loại Pin Lithium

Hiện nay có rất nhiều loại Pin Lithium khác nhau về hình dạng kích thước, hiệu điện thế. Tuỳ theo thói quen mà chúng ta có thể phân chúng vào nhiều nhóm khác nhau

Sau đây là Goldsun sẽ giới thiệu tới các bạn 2 mẫu pin Lithion mà thường bắt gặp trên thị trường:

Pin Lithium – Ion

Pin Lithium – Ion là dòng pin được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Chúng được ứng dụng trên các thiết bị điện tử cầm tay. Bạn có thể bắt gặp chúng trong thiết bị di động, máy tính, máy ảnh, pin năng lượng mặt trời. Ưu điểm của dòng pin này là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ pin kéo dài.

Về cơ bản Pin Lithium Ion có một số hình dạng chính bao gồm: Hình trụ lớn, hình trụ nhỏ, hình phẳng, hình trụ tròn, dạng túi. Chúng ta chúng ta có thể bắt gặp một số dòng Pin Lithium như:

• 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: Sử dụng làm pin cho đèn năng lượng mặt trời

Pin Lithium Polymer

Về bản chất Pin Lithium Polymer vẫn là dòng Pin Lithium. Thế nhưng chúng sử dụng chất điện phân là Plolymer khô. Vì lý do này tên đầy đủ của Pin Lithium Polymer là Pin Lithium-ion Polymer

• Cấu tạo: Chúng có đầy đủ các thành phần của một viên pin. Sự khác biệt duy nhất nằm ở dung môi. Thay vì sử dụng dung môi hữu cơ loại pin này sử dụng các tấm Polymer mỏng xếp sát vào nhau tạo thành môi trường dung môi
• Ưu điểm: Dòng Pin Lithium Polymer có thể dễ dàng thay đổi hình dạng, chúng bền hơn, nhẹ hơn, và không cần lớp vỏ sắt bảo vệ bên ngoài.

Nguyên lý hoạt động của Pin Lithium

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:

• 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.

Pin Lithium có đặc điểm thế nào?

Để hiểu chi tiết đặc điểm sản phẩm pin Lithium thì hãy cùng chúng tôi khám phá ưu điểm và nhược điểm của sản phẩm này nhé!

Ưu điểm Pin Lithium

Pin Lithium mang nhiều ưu điểm so với các loại pin truyền thông hiện nay. Điều này có thể thấy qua các yêu tố như:

• Điệp áp cao: So với các loại pin thông thường khác thì pin lithium có điện áp cao hơn. Pin đơn lithium có mức điện áp từ 3,7V – 3,8V.
• Lớn hơn năng lượng: Mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt được là 555Wh/kg. Mức năng lượng này cao hơn từ 3 – 4 lần so với các loại pin Ni-Cd hay Ni-MH.
• Vòng đời dài: Thông thường các loại pin có thể đạt được vòng đời hơn 500 lần, thậm chí có thể lên đến mức 1000 lần. Một số loại pin lithium khác có thể đạt được mức vòng đời 2000 lần. Đặc biệt những loại thiết bị xả dòng nhỏ thì tuổi thọ có thể cao hơn nữa.
• An toàn sử dụng: Pin Lithium được xác nhận an toàn với người sử dụng, không gây ô nhiễm, không gây hiệu ứng nhớ. Và pin Li-ion cũng không gây ô nhiễm hay độc hại đối với môi trường.
• Sạc nhanh: Một trong những ưu điểm tuyệt vời của loại pin này chính là có tốc độ sạc nhanh. Trong 30 phút thời gian có thể tiến hành nạp được 80% dung lượng pin.
• Mức nhiệt độ làm việc phù hợp: Mức nhiệt độ làm việc của pin lithium được xác định từ -25 – 45 độ C. Các sản phẩm mới được dự kiến sẽ mở rộng mức nhiệt độ làm việc từ -40 – 70 độ C.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm như trên Pin Lithium vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm nhỏ. Tuy nhiên sử dụng loại pin này mang đến cho bạn nhiều tiện ích hơn so với các loại pin khác.

• Xuất hiện hiệu ứng tự xả, nghĩa là dung lượng bị giảm 5 – 10%/ tháng (tùy theo chế độ sử dụng pin ra sao) sau khi có thể chịu được số lần chu kì xả- nạp.
• Khi điện áp pin thấp dưới 3V hoặc cao quá 4,2V có thể làm hỏng pin (nên tham khảo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất)
• Giá thành tương đối cao, tùy vào mỗi thương hiệu mà giá pin Lithium sẽ dao động mức giá khác nhau.
• Nhạy cảm và dễ hư hỏng bởi nhiệt, chỉ nên dùng pin ở nhiệt độ nhỏ hơn 60 độ C. Điều này còn có nghĩa là, khi sạc pin Lithium, bạn cần sạc đúng thời lượng vì nếu sạc quá lâu so với quy định, thì pin dễ sinh nhiệt, khí CO2 làm tăng áp suất trong pin, gây cháy nổ.

Tính chất của Pin Lithium

Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion lithi giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Chính vì thế, nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Li-ion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion lithi ở mức 10⁻² S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40^oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0^oC

Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion lithi di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra dòng điện ở mạch ngoài nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với ion lithi), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10⁻⁸ S/cm.

Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối lithi, như LiPF₆, LiBF₄ hay LiClO₄ trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat.

Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực. Lớp giao pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp giao diện bền.

Dung dịch điện ly composite dựa trên nền polymer hữu cơ POE (poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền.Nó có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường khác.

Để hạn chế sự rò rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung môi này gặp không khí, dung môi gel, polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.

Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin li-ion dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quá trình lắp ráp, tăng tín an toàn cho pin

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.

So sánh Pin Lithium với ắc quy truyền thống

Dưới đây là thông tin so sánh về dòng Pin Lithium hiện đại và các loại ắc quy chì truyền thống

Đặc điểm	Pin Lithium	Ác quy chì tuyền thống
Tuổi thọ	3.000 lần sạc	500 – 1.000 lần sạc
Thời gian sạc	Sạc đầy từ 2 – 2,5 giờ	8 – 12 giờ
Trọng lượng	Trọng lượng nhỏ gọn, đễ vận chuyển	Gấp 3 lần so với Pin Lithium cùng công suất
Hiệu suất	95% năng lượng dự trữ	80 – 85% năng lượng dự trữ
Độ an toàn	Không gây khí thải, an toàn với môi trường	Sử dụng axit chì
Bảo trì – bảo dưỡng	Không cần bảo trì	Cần bảo trì đặc biệt (châm nước cất)
Giá thành	Cao	Thấp
Khả năng hoạt động	Hiệu suất cao, tiếp kiệm thời gian, ổn định	Cần sạc pin nhiều, mất nhiều thời gian

Hướng dẫn sử dụng pin lithium an toàn

Sau đây Goldsun sẽ hướng dẫn các bạn cách sử dụng Pin Lithium sao cho an toàn nhất với người sử dụng. Nhìn chung thì đây là sản phẩm công nghệ cao nên đã có độ an toàn và thân thiện với người sử dụng.

Tuy nhiên trong quá trình sử dụng bạn cũng cần lư ý như:

• Sạc nhiều lần thay vì sạc đầy: Thay vì sạc đầy 100% pin cho mỗi lần sạc thì bạn chỉ nên sạc tới một mức nào đó, ví dụ 30% lên 60% hay 45% lên 79%. Điều này sẽ hơi phiền phức do phải sạc nhiều lần mỗi ngày, nhưng nó có thể giúp kéo dài tuổi thọ pin.
• Không nên xả cạn pin: Luôn giữ một phần năng lượng trong pin thay vì xả cạn về mức 0% rồi mới sạc lại. Phần năng lượng đó có thể giúp quản lý các tế bào trong viên pin trong thời gian đợi người dùng cắm sạc.
• Pin hoạt động tốt nhất ở 40%: Trạng thái tốt nhất của pin lithium-ion là khi còn 40% năng lượng. Đó cũng là lý do tại sao pin trong các thiết bị vừa xuất xưởng thường chứa 40% – 50% năng lượng.
• Bảo quản pin cao và khô: Giữ pin được lưu trữ cao và khô trong hộp không dẫn điện. Tránh lưu trữ chúng cùng với các vật kim loại có thể khiến chúng bị đoản mạch.
• Tránh nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp: Pin có thể mất tới 80% công suất hoạt động nếu để ở nhiệt độ 60 độ C trong 1 năm, còn ở 20 độ C thì công suất bị giảm tương ứng chỉ là 20%. Tương tự, nhiệt độ quá thấp như trong môi trường đóng băng cũng không tốt cho tuổi thọ của pin.
• Không để pin cạn kiệt năng lượng quá lâu: Thông thường, pin lithium-ion sẽ ở trạng thái cạn kiệt năng lượng nếu rơi xuống mức điện áp 3V/cell. Ở mức 2,7V/cell thì mạch bảo vệ sẽ tự chuyển pin sang chế độ ngủ làm cho nó mất khả năng sạc theo thời gian. Do đó, trong quá trình sử dụng hay khi muốn cất giữ pin, bạn cũng cần chú ý tới mức dung lượng tốt theo khuyến cáo là 40%.

Ứng dụng Pin Lithium

Trong thực tế sản phẩm Pin Lithum được ứng dụng vào rất nhiều mặt trong đời sống hàng ngày

Với các tính năng và công dụng vượt trội của mình các dòng pin Lion được áp dụng vào lĩnh vực như:

• Làm pin dự trữ cho đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời
• Sử dụng làm pin vận hành trong ngành ô tô điện
• Làm nhiệt kế
• Sử dụng trong lĩnh vực khóa xe từ xa
• Làm con trỏ laser
• Máy nghe nhạc Mp3
• Máy tính
• Hệ thống pin dự phòng máy tính
• Pin dự phòng điện thoại
• …

Trên đây là thông tin về Pin Lithium mà Goldsun đã tổng hợp và gửi tới các bạn. Hy vọng qua bài viết thì quý độc giả đã hiểu rõ hơn về dòng sản phẩm này và ứng dụng của nó

Nếu có nhu cầu quan tâm tới các sản phẩm Pin Lithium cho gia đình thì hãy liên hệ cho chúng tôi để được tư vấn tốt nhất nhé!

Thông tin liên hệ

Công Ty TNHH Thiết bị điện Goldsun

————————————–

Chi nhánh TPHCM

Địa chỉ: C20/6E Khu Công Nghiệp Lĩnh Lộc A, Huyện Bình Chánh, TP.HCM

Hotline: 0967618939 – 0967622870

———————————————

Chi nhánh Miền Trung – Tây Nguyên

Địa chỉ: 91 Trấn Phú, thị trấn Lộc Thắng, huyện Bảo Lâm, Lâm Đồng

Điện thoại: 0965 260 779

Email: ctygoldsun@gmail.com

Website: https://thietbidiengoldsun.com.vn