Pin Li-ion

Phát minh và phát triển

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) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan disulfua 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 disulfua trong những năm 1970). Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfua - 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.

Nguyên tắc hoạt động

Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin liti-ion là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy.
Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập liti (lithiation, intercalation/intercalation/insertion process), và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể (deintercalation/delithiation/extraction process).
Khi xả, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode), thường là graphite, C₆ trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương). Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi. Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả.
Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
LiCoO₂  CoO₂ + Li⁺ + e⁻
Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
C₆ + Li⁺ + e⁻  LiC₆
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)
C₆ + LiCoO₂  LiC₆ + CoO₂
Như vậy khi sạc, C₆⁰ (anode) bị khử thành C₆¹⁻, Co³⁺ bị oxi hóa thành Co⁴⁺, và ngược lại khi xả.
Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau:
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → Li₂O + CoO
Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X.
LiCoO₂ → Li⁺ +e⁻ + CoO₂

Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion liti 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 liti ở mức 10⁻² S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40ᵒC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0ᵒC. Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion liti 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 liti), 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 liti, 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 composit 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.

Cơ chế sạc và xả

Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp, tương đối khác biệt.
Đối với một tế bào pin Li-ion được sạc/xả qua hai giai đoạn:
1 – Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)
2 – Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)
Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn
1 – Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)
2 – Cân bằng
3 – Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)
Ở chế độ dòng điện không đổi, bộ sạc sẽ áp một dòng điện không đổi lên pin thông qua một điện thế ổn định tăng dần cho đến khi đạt đến điện thế tới hạn của pin. Ở chế độ cân bằng, bộ sạc giảm dần dòng điện sạc lên pin, hoặc điều tiết bật tắt dòng điện sạc để trạng thái sạc cho từng tế bào pin đạt trạng thái cân bằng trong cả mạch, cho đến khi tất cả các tế bào trong mạch đều cân bằng. Một số thiết bị sạc điều tiết cân bằng bằng cách sạc lần lượt từng tế bào pin, tuy nhiên điều này kéo dài thời gian sạc, việc tạo thuật toán tối ưu hóa quá trình cân bằng này có thể tăng hiệu năng và tối ưu hóa thời gian sạc pin. Ở chế độ điện thế cân bằng, bộ sạc áp một điện thế bằng với điện thế tới hạn của mỗi tế bào nhân với số tế bào lắp nối tiếp lên toàn bộ pin, đây chính là quá trình xả, vì thế dòng điện sẽ giảm về 0, đến khi dòng điện dưới ngưỡng 3% giá trị ban đầu của dòng điện sạc, thì pin ngừng hoạt động. Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng thế năng và dòng điện cho phép, có thể dẫn đến nổ pin.

Nhiệt độ hoạt động

Nhiệt độ giới hạn của pin khi sạc quan trọng hơn nhiệt độ xả (nhiệt độ lúc sử dụng). Các nhà khoa học nhận thấy rằng chính việc chạy ở nhiệt độ quá cao (chứ không phải trong thời gian quá lâu) làm giảm tuổi thọ pin. Pin sẽ hoạt động tốt nhất khi sạc ở 5-45ᵒC, lúc này có thể sạc tốc độ cao. Nhiệt độ thấp hơn, tức 0-5 ᵒC có thể sạc được nhưng dòng điện sẽ giảm, dù trong quá trình sạc, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên đôi chút do điện trở trong của pin. Hiện tượng tăng nhiệt độ trong quá trình sạc là nguyên nhân làm giảm hiệu năng pin, khi nhiệt độ tăng lên trên 45 ᵒC pin sẽ bị chai nhanh chóng. Mặc dầu vậy khi sạc ở nhiệt độ thấp, điện trở trong của pin lại tăng và làm giảm tốc độ và tăng thời gian sạc.
Pin LIB không nên sạc ở nhiệt độ dưới 0 ᵒC. Ở nhiệt độ này, tuy hệ pin có vẻ đang được sạc bình thường, nhưng do ở nhiệt độ thấp, độ dẫn của vật liệu điện cực kém sẽ làm giảm khả năng phản ứng của ion liti với vật liệu điện cực, khi đó liti sẽ được mạ lên bề mặt điện cực thay vì khuếch tán vào sâu bên trong vật liệu và tham gia phản ứng trong điều kiện sạc lạnh, lớp mạ này bám chặt trên điện cực dù có tiếp tục sạc hay xả. Vì thế hầu hết các pin đều không thể hoạt động ngoài khoảng 0-45 ᵒC vì yếu tố an toàn.