Pin Lithium-ion Bước đột phá trong kỷ nguyên năng lượng sạch

Pin Lithium-ion hay còn được gọi tắt là pin Li-ion, một công nghệ pin cực kỳ quen thuộc với người dùng. Viên pin này đã được sử dụng cung cấp điện năng cho rất nhiều thiết bị điện tử trên thị trường. Hãy cùng bài viết tìm hiểu chi tiết hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của viên pin này nhé.

1. Pin Lithium ion là gì?

Pin Lithium-ion hay còn được gọi với tên viết tắt là pin Li-ion. Loại pin này có cấu tạo bao gồm các thành phần cơ bản là chất điện phân. Chất này đóng vai trò như môi trường di chuyển qua lại giữa hai cực âm và dương.

Sau quá trình dài nghiên cứu và được ứng dụng, thì loại pin này đã đang dần được cải thiện tốt hơn. Với khả năng tích trữ năng lượng cao và độ bền tăng lên.

2. Lịch sử phát triển của pin Li-ion

Vào thời điểm năm 1970, M. Stanley Whittingham, một nhà hóa học người Anh. Khi làm việc cho Exxon, ông đã sử dụng Titan Sulfua và kim loại Lithi để làm điện cực. Tuy nhiên thì pin sạc Lithium từ thí nghiệm của ông đã không ứng dụng được vào thực tế.

Đến năm 1980, John Goodenough một giáo sư vật lý Mỹ, đã phát minh ra pin Lithium khác. Ông đã tạo ra pin nhờ sự kết hợp giữa Lithium Coban Oxit, để di chuyển từ điện cực này sang điện cực bên kia ở dưới dạng là Ion Li+.

Năm 1983, thì Akira Yoshino giáo sư người Nhật bản, đã chế tạo ra một loại pin nguyên mẫu có thể sạc. Viên pin này sử dụng Lithium Cobalt Oxit thông qua Cathode và Polyacetylene để làm cực dương. Nguyên mẫu này có vật liệu cực dương không có chứa Liti, các Ion Liti di chuyển từ cực âm vào cực dương.

Phát minh này là tiền thân trực tiếp của pin Lithium-ion sau này. Viên pin này bắt đầu được thương mại hóa thông qua thương hiệu Sony Energytec vào năm 1991. Ngày nay thì viên pin này đã thống trị thị trường thiết bị di động, thiết bị lưu trữ UPS ở trên toàn thế giới.

Loại pin này có 4 hình dạng khác nhau là hình trụ nhỏ, trụ lớn, hình phẳng, hình lăng trụ.

3. Cấu tạo pin Lithium ion

Pin Lithium-ion có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Nhưng cấu tạo bên trong của chúng thường sẽ giống nhau. Trước khi tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của viên pin này, thì hãy cùng bài viết tìm hiểu qua cấu tạo từng bộ phận riêng lẻ của viên pin này trước nhé.

Pin Lithium có cấu tạo sẽ bao gồm 4 thành phần chính là điện cực dương, cực âm, bộ phận tác và chất điện phân.

3.1. Điện cực dương (Cathode)

Đầu tiên hãy cùng tìm hiểu qua điện cực dương thành phần chính đầu tiên. Vật liệu để dung làm điện cực dương sẽ là LicoO2 và LiMnO4. Sử dụng cấu trúc phân tử sẽ gồm phân tử Oxide Coban liên kết cùng với nguyên tử Lithium.

Khi có dòng điện chạy qua, lúc này nguyên tử Lithium sẽ lập tức tách ra khỏi cấu trúc để có thể tạo thành ion dương Li+.

3.2. Điện cực âm (Anode)

Tiếp đến là điện cực âm, thì thành phần này được cấu tạo từ Than chì, cùng các vật liệu Carbon khác. Với chức năng là lưu giữ lại những ion Lithium L+ ở trong tinh thể.

3.3. Chất điện phân

Kế tiếp sẽ là chất điện phân, ở dạng chất lỏng, lấp đầy hai cực và màn ngăn. Dung dịch này sẽ có chứa LiPF6, cùng với dung môi hữu cơ. Dung dịch này sẽ là chất dẫn truyền Ion Li giữa hai điện cực trong quá trình sạc và xả của pin.

3.4. Bộ phân tách

Cuối cùng là bộ phân tách của pin, hay còn được gọi là màn ngăn cách điện đã được làm bằng nhựa PE hoặc là PP. Bộ phân tách này sẽ được đặt ở giữa cực âm và cực dương, có nhiều lỗ nhỏ, sẽ là vách ngăn cách giữa cực dương và âm. Tuy nhiên thì các ion Li+ vẫn có thể đi qua được bộ phân tách này.

4. Nguyên lý hoạt động của pin Li-ion

Sau khi đã tìm hiểu sơ qua cấu tạo của viên pin Lithium-ion thì hãy cùng nhau tìm hiểu sơ qua về nguyên lý hoạt động của viên pin này nhé.

Bản chất của viên pin này chính là sự di chuyển của các hạt điện tích qua lại giữa hai cực âm và dương. Khi viên pin đã được xả hoàn toàn, thì lượng điện tích chủ yếu được chứa trong viên pin sẽ là điện tích dương. Loại điện tích này thì không thể sử dụng cung cấp cho phần cứng trong các thiết bị.

Sau khi đã cắm pin thì quá trình nạp lại điện tích sẽ diễn ra, viên pin này sẽ được cung cấp lại điện tích âm bị thiếu hụt. Khi đó thì số lượng điện tích đã đạt mức bão hòa, tức là pin đã đầy. Cứ như vậy quá trình nạp xả của một viên pin sẽ được thực hiện.

Lý do khiến cho viên pin Li-ion này được sử dụng phổ biến là nhờ vào mật độ năng lượng của nó cao. Một thỏi pin Lithium này có thể chứa được rất nhiều năng lượng. Đồng thời viên pin này còn mang lại thời gian sạc tốt, chu kỳ sạc xả nhiều hơn trước khi bị hỏng.

Nếu như bạn sử dụng Lithium thuần khiết để làm điện cực cho viên pin. Thì khả năng lưu trữ của nó lớn hơn rất nhiều nhưng lại không thể sạc được. Tùy thuộc vào vật liệu làm điện cực, bạn có thể tác động được đến sức mạnh hiệu năng của pin. Mật độ năng lượng sẽ còn phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- tồn tại ở trên mỗi đơn vị điện tích.

5. Cơ chế sạc và xả

Pin Lithium-ion ở chế độ dòng điện không đổi, thì bộ sạc sẽ áp một dòng điện không đổi lên viên pin. Đảm bảo một điện thế ổn định, tăng dần cho đến khi nào đạt tới giới hạn của pin. Tại chế độ cân bằng, thì bộ sạc sẽ giảm dần dòng điện sạc lên pin. Có thể là điều tiết bật tắt dòng điện để trạng thái sạc cho từng tế bào pin đều sẽ đạt được mức cân bằng trong cả mạch.

Ở một số thiết bị thì việc sạc điều tiết cân bằng với cách sạc lần lượt từng tế bào pin, sẽ mất khá nhiều thời gian sạc. Việc tạo ra thuật toán tối ưu hóa quá trình cân bằng, sẽ giúp điều tiết được hiệu năng và rút ngắn thời gian sạc.

Tại chế độ cân bằng, một điện thế bằng với điện thế tới hạn của mỗi tế bào nhân. Với số tế bào mà lắp nối tiếp ở trên toàn bộ pin thì quá trình này sẽ gọi là quá trình xả. Vì lúc đó dòng điện sẽ giảm về 0, đến khi dòng điện dưới ngưỡng 3% của giá trị ban đầu của dòng điện sạc. Thì lúc này hoạt động pin sẽ ngừng, nếu như xả|sạc vượt ngưỡng thế năng, hay dòng điện cho phép thì sẽ xảy ra tình trạng pin nổ.

6. Những lưu ý về nhiệt độ hoạt động

Nhiệt độ giới hạn của viên pin Lithium-ion khi sạc quan trọng hơn so với nhiệt độ xả của pin. Các nhà khoa học đã nhận thấy, chính việc chạy ở nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm đi tuổi thọ của pin. Pin sẽ hoạt động tốt nhất ở mức nhiệt độ sạc là 4 đến 45 độ, lúc này tốc độ sạc cũng cao nhất.

Ở mức nhiệt độ thấp hơn là từ 0 đến 5 độ cũng có thể sạc được, nhưng dòng điện sẽ bị giảm đi. Dù trong quá trình sạc nhiệt độ pin sẽ tăng lên đôi chút do điện trở của pin. Hiện tượng tăng nhiệt độ trong quá trình sạc sẽ là nguyên nhân dẫn đến hiệu năng pin bị giảm. Khi tăng đến trên 45 độ thì pin sẽ bị chai nhanh hơn.

Không nên sạc pin Lithium ở mức nhiệt độ dưới 0 độ, vì ở nhiệt độ này pin có vẻ là đang sạc bình thường. Nhưng nhiệt độ thấp, độ dẫn của vật liệu điện cực kỳ kém, sẽ giảm đi khả năng phản ứng của ion Lithi với các vật liệu điện cực. Lúc này Lithi sẽ được mạ lên bề mặt điện cực, thay vì là sẽ được khuếch tán vào sâu bên trong. Vì thế hầu hết là các loại pin đều không thể hoạt động được ở ngoài khoảng 0 đến 45 độ vì đảm bảo yếu tố an toàn.

7. Pin Lithium-ion có ưu điểm gì?

Pin Lithium-ion được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện tại như vậy cũng bởi vì nó có nhiều ưu điểm tốt phục vụ các thiết bị. Các ưu điểm nổi bật của viên pin này có thể điểm qua như:

Viên pin này rất ít khi gặp vấn đề về bộ nhớ. Người dùng sẽ có thẻ sạc viên pin này trước khi pin cạn kiệt, ở bất kỳ mức dung lượng nào, mà không cần phải lo lắng gì cả. Đồng thời, người dùng cũng không cần phải sạc đầy pin, có thể sạc bất kỳ lúc nào bạn cần.

Viên pin này hiện nay đã được tích hợp mạch điện thông minh hơn. Mạch điện thông minh sẽ hoạt động kết hợp với những hệ thống an toàn. Để có thể ngăn ngừa được viên pin trở nên không an toàn, cho phép người dùng cắm sạc qua đêm mà không bị hỏng.

Đặc biệt là với điện thoại iPhone thì cáp Lightning đã được chứng nhận MFi, có sự tương thích tối đa với sản phẩm nhà Apple. Được trang bị một con chip bảo vệ để tránh tỏa nhiệt, thay đổi điện áp đột ngột.

8. Nhược điểm của pin Li-ion

Điểm yếu của viên pin này có thể lấy ví dụ cụ thể là tất cả viên pin iPhone nhà Apple đều chai dần theo thời gian. Mỗi viên pin Lithium chính hãng đều sẽ có một vòng đời nhất định.

Sau một khoảng thời gian sử dụng, thì đến một lúc nào đó, viên pin này sẽ chết. Pin iPhone chỉ còn 80% dung lượng bàn đầu sau chu kỳ 500 lần sạc. Lúc này thì biểu tượng pin vẫn sẽ hiện là 100% khi sạc đầy, nhưng thực tế thì dung lượng của nó chỉ còn lại 80%.

9. Các nguyên tắc giúp kéo dài tuổi thọ pin Lithium-ion

Việc muốn kéo dài tuổi tho pin luôn là điều mà người dùng quan tâm, khi sở hữu một chiếc điện thoại với mong muốn sử dụng lâu hơn. Điều này vẫn có thể xảy ra nếu như người dung sử dụng máy của mình theo một vài nguyên tắc như sau:

Đầu tiên, thay vì bạn sẽ sạc đầy 100% pin cho mỗi lần sạc, thì bạn hãy sạc ở một mức nào đó như là 30, 60. Điều này sẽ hơi phiên, vì sẽ phải sạc nhiều lần trong một ngày, nhưng sạc nhiều lần sẽ giúp kéo dài tuổi thọ pin tốt hơn.
Người dùng nên lưu ý là không nên xả cạn pin. Luông giữ cho pin ở một mức năng lượng, thay vì là cạn về 0%. Phần năng lượng còn lại sẽ giúp quản lý được các tế bào ở bên trong của pin trong quá trình sạc.

Trạng thái tốt nhất của một viên pin Lithium-ion chính là 40% năng lượng. Đó cũng là lý do vì sao pin ở các thiết bị vừa xuất xưởng sẽ nằm trong mức 40% đến 50%.
Nên bảo quản pin ở một mức khô ráo, tránh lưu trữ chung với kim loại để không bị đoản mạch.

10. Tổng kết lại

Bài viết Pin Lithium-ion Bước đột phá trong kỷ nguyên năng lượng sạch. Đã đem đến những thông tin cơ bản, chi tiết nhất về viên pin Li-ion này. Mong rằng thông tin cập nhật trong bài viết, sẽ giúp bạn đọc có được một cái nhìn tổng quan về cấu tạo, cũng như cơ chế hoạt động của pin.

Trang Dchannel của Di Động Việt, mỗi ngày đều cập nhật thêm những thông tin liên quan đến công nghệ mới. Hãy theo dõi trang để biết thêm nhiều tin tức, thủ thuật về các sản phẩm công nghệ nhé. Nếu đang tìm kiếm sản phẩm phù hợp thì “MUA ĐIỆN THOẠI ĐẾN DI ĐỘNG VIỆT” bạn nhé.

Xem thêm:

Di Động Việt