Li-ion Battery
 

Pin Li được Gilbert N. Lewis bắt đầu nghiên cứu năm 1912. Những năm 1970, pin Li sơ cấp ra đời, đến năm 1991, pin Li sạc (thứ cấp) của Sony đưa vào thương mại.

[B]Nguyên tắc hoạt động của pin sạc:[/B]

[CENTER][FLASH]http://www.mpoweruk.com/graphics/battery.swf[/FLASH] [/CENTER]

[B]Cấu tạo và hoạt động của pin Li-ion:[/B]

[CENTER][IMG]http://img98.imageshack.us/img98/659/swingcellur7.gif[/IMG] [/CENTER]

[CENTER][IMG]http://img151.imageshack.us/img151/4339/hoatdongdp7.jpg[/IMG][/CENTER]

Anode là carbon tẩm Li+, cathode làm từ các hợp chất Li như LiCoO2, Li(1-x)Mn2O4, LiNiOx. Chất điện ly là các muối Li như LiPF6, LiBF4, LiClO4 và dung môi hữu cơ như ether.

[B]Pin thương mại:[/B]

[CENTER][IMG]http://img118.imageshack.us/img118/5426/pinpq3.jpg[/IMG] [/CENTER]

[B]Ưu điểm của Li-ion Battery so với các pin sạc khác:[/B]

[CENTER][IMG]http://img291.imageshack.us/img291/8393/uu1ms1.jpg[/IMG] [/CENTER]

[CENTER][IMG]http://img153.imageshack.us/img153/2508/uu2dq2.jpg[/IMG] [/CENTER]

[B]Ứng dụng:[/B]

[CENTER][IMG]http://img96.imageshack.us/img96/4466/ud1ch9.jpg[/IMG] [/CENTER]

[CENTER][IMG]http://img109.imageshack.us/img109/7080/ud2pf4.jpg[/IMG] [/CENTER]

Oh, đề tài này đang hot trong giới pin điện hóa đây.
Pin này còn gọi là Pin Secondary Battery ( 2nd Batt.). Có 2 hướng chính nghiên cứu về phần này là:

1- Nghiên cứu liên quan đến điện cực, vật liuệu lám điện cực,.. nhưng hướng này hầu như là có ít nhóm làm vế phần này.

2- Hướng nghiên cứu tập trung vào eletrolyte ( dung dịch điện dẫn giữa hai điện cực) đây là hot trong pin 2nd, có rất nhiều nhóm nghiên cứu làm về phần này. Và hiện nay đa số các hãng diện tử lớn như: Sony, Pannasonic, Samsung, LG,.. đều tậo trung focus vọ phần này là thay dung dịch điện dẫn thông thường bằng polymer, hoậc là polyelectrolyte hữu cơ, mục đích nhẹ, gọn hơn khi cho vô Pin.

Bổ sung thêm, đây là pu điện hóa trong pin

[img]http://img139.imageshack.us/img139/6623/putrongpindienhhoayg5.jpg[/img]

Lithium polymer battery
 

[CENTER][QUOTE=Yugi]Hướng nghiên cứu tập trung vào eletrolyte ( dung dịch điện dẫn giữa hai điện cực) đây là hot trong pin 2nd, có rất nhiều nhóm nghiên cứu làm về phần này. Và hiện nay đa số các hãng diện tử lớn như: Sony, Pannasonic, Samsung, LG,.. đều tậo trung focus vọ phần này là thay dung dịch điện dẫn thông thường bằng polymer, hoậc là polyelectrolyte hữu cơ, mục đích nhẹ, gọn hơn khi cho vô Pin.[/QUOTE][/CENTER]

Lithium polymer battery cũng là pin thứ cấp, được cải tiến từ pin lithium ion. Li-ion battery dùng liquid electrolyte nên có nhiều hạn chế khi design, chỉ có 2 dạng là trụ và dạng khối chữ nhật (prismatic). Đồng thời cần rigid case để ép các electrode và separator lại với nhau.

Lithium polymer battery dùng separator là polymer (PEO, polyacrylonitrile) tẩm các muối Li như LiPF6, nên không cần dùng rigid case và có thể tạo dạng theo ý muốn, đồng thời mật độ năng lượng tăng 20% so với Li-ion battery.

Cấu trúc ultrathin và flexible của Lithium polymer battery:

[CENTER][IMG]http://img201.imageshack.us/img201/2906/1lg5.jpg[/IMG] [/CENTER]

[CENTER][IMG]http://img201.imageshack.us/img201/3997/ultrathin2to2.jpg[/IMG][/CENTER]

Hiện nay pin laptop của SONY rất dễ bốc cháy khi sạc, các hãng notebook hàng đầu Dell, Apple, Panasonic, HP đang có chiến dịch thu hồi các pin này.

[url]http://vietnamnet.vn/cntt/2006/08/605713/[/url]

[url]http://vietnamnet.vn/cntt/2006/09/608980/[/url]

[url]http://vietnamnet.vn/cntt/2006/04/562820/[/url]

[url]http://vietnamnet.vn/cntt/2006/08/602079/[/url]

Câu hỏi đặt ra là nguyên nhân gây cháy nổ của các loại pin trên ? Các hãng trên thu hồi và sẽ thay thế bằng loại pin nào ?

PS. Mấy đại ca Điện Hóa (chocolatenoir & chocolate) sao lười thảo luận chuyên môn thế nhỉ ? Để đàn em lấn sân cả sang đây là thế nào !???

Đây là roadmap của 2nd Batt., Hiện pin mà thay dung dịch điện dẫn truyền thốg bằng dung dịch polymer,... đã có trên thị trường.

[center][img]http://img137.imageshack.us/img137/9491/untitledbn1.jpg[/img][/center]


[quote]Câu hỏi đặt ra là nguyên nhân gây cháy nổ của các loại pin trên ? Các hãng trên thu hồi và sẽ thay thế bằng loại pin nào ? [/quote]

Đa phần pin dễ cháy là do dung dịch dẫn điện sử dụng trong pin là Polymer, khi pin lám việc thì tòa nhiệt, dễ gây cháy hơn so với dung dịch dẫn điện truyền thống là môi trường vô ccơ. Bây giờ phát sinh thêm huong mới nữa là sẽ dùng thêm chất phụ gia chất chống cháy vô pin, sẽ an toàn hơn, đây cũng là hướng hot đây.

Mình không dám bàn sâu về kỹ thuật và phản ứng hóa học mà chỉ đưa một số chỉ tiêu (theo mình hiểu) đã định hướng cho các nghiên cứu trên lĩnh vực pin lithium:

1/ Hiện nay các vấn đề xung quanh nguồn điện (battery) đặc biệt là pin lithium vaf fuel cell trở thành topic chủ đạo trên các tạp chí chuyên nghành các hội nghị, các forum lớn của lĩnh vực Điện hóa. Nguyên do bởi sự bùng nổ của công nghiệp điện tử và nhu cầu ngày càng lớn với các thiết bị mobile ( ĐTDĐ, laptop, máy nghe nhạc MP3...).

2/ Sự cạnh tranh của các hãng và lượng vốn đầu tư khổng lồ cho lĩnh vực này khiến cho các nghiên cứu từ cơ bản đến ứng dụng triển khai trên pin lithium có thời gian đặc biệt ngắn.

3/ Ngoài các tiêu chuẩn hóa học thông thường do đặc thù của lĩnh vực mobile đòi hỏi pin lithium phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe và khá đối nghịch nhau. Cụ thể:
* Khối lượng pin phải thấp
* Sức điện động và dung lượng pin phải cao
* Tuổi thọ và số chu kỳ phóng nạp phải dài
* An toàn, không độc hại cho người sử dụng và cho môi trường
VD: với các thiết bị ĐTDĐ ngày nay đòi hỏi pin lithium kể cả phần vỏ không vượt quá 20-30g nhưng lại tích hợp màn hình màu tới 265k và yêu cầu thời gian đàm thoại, thời gian chờ ngày càng lâu.

[COLOR=Red][B]Vì sao chọn lithium???[/B][/COLOR]
Trong tất cả các loại pin thì hai thông số quan trọng nhất cần xem xét khi chọn hệ điện hóa (làm cathode và anode của pin) là:

[B]a/ Sức điện động lý thuyết và thực tế có thể đạt[/B]
Sức điện động lý thuyết (hiểu thô thiển là hiệu điện thế mà pin có thể cung cấp) rất phụ thuộc vào cặp oxi hóa khử liên hợp chọn làm điện cực:
Lấy VD với pin Con Ó : Vỏ kẽm làm cực âm (anode): E (Zn2+/Zn) = -0.762V; hệ MnO2/MnOOH làm cực dương (cathode) trong môi trường có tính axit ta có giá trị sức điện động của pin vào khoảng 1.5V. Nếu muốn nghe nhạc với Walkman 3V thì ta phải mắc nối tiếp 2 cục pin.

Giả sử nếu trong pin Con Ó thay vì chọn kẽm (Zn2+/Zn) mà ta chọn đồng ( Cu2+/Cu = 0.337V) thì giá trị sức điện động lý thuyết đã giảm đi khá nhiều (chỉ còn gần 0.5V) và ta phải mắc 6 cục pin nối tiếp. Trên phương diện này các kim loại nhóm IA và IIA có ưu thế vì chúng đều có tính khử mạnh và thế rất âm, với lithium là E (Li+/Li) = -3.045V. Như vậy pin lithium (xét trường hợp cathode vẫn là cặp MnO2/MnOOH) thì ta có sức điện động là 3.8V so với 1.5V


[B]b/ Dung lượng riêng lý thuyết[/B]
Theo phương trình FARADAY m = M/n x It/F với F = 96485C/mol thì ta có:

Với kẽm (M=65g/mo, số electron trao đổi n=2) để có thể thu được q=96485 C thì cần có 65/2 = 38.5g Zn theo phản ứng Zn = Zn2+ + 2e-
Nếu dùng kim loahi nhẹ như Al thì ta co 27/3 = 9g/mol electron.

Còn nếu dùng Li thì ta chỉ cần có M/n = 7g là có thể cho cùng một điện lượng 96485C rồi.
Điều đó có nghĩalà nếu (giả sử) chúng ta cần 1 cục pin có thể cung cấp 96485C thì khi so sánh với pin kẽm ta thấy là dùng lithium sẽ tiết kiệm được một khối lượng là 31.5g. Ngoài ra khối lượng riêng của Li là 0.535g/cm3 so với các kim loại khác như Al 2.7g/cm3.

Như vậy sự chọn lựa điện cực cho pin di động gần như không thể tìm được nguyên tố nào tốt hơn lithium. (1)

[COLOR=DarkRed]Các nghiên cứu về điện hóa tập trung vào:[/COLOR]
* Vấn đề điện cực: phân tán lithium sao cho có thể đạt 100% giá trị dung lượng (do phản ứng trong pin là phản ứng của các hạt lithium). Xung quanh vấn đề này người ta đi vào hai mảng là: cải tiến tính chất của lưới carbon mà trong đó các hợp chất của Li phân tán và nâng cao chu kì sống của các hạt Li+ hay Li (giảm kích thước để tăng số nguyên tử bề mặt, tăng khả năng chuyển hóa Li vs Li+...)

* Vấn đề electrolyte: do lithium phản ứng với nước nên đã gây khó khăn cho việc chọ electrolyte cho pin lithium. Nguyên do là các dung môi hữu cơ có tính dẫn điện kém. Hiện nay ngoài việc sử dụng chất điện giải rắn trên cơ sở polymer thì hướng ứng dụng các chất lỏng ion (ionic liquid) đang là một hướng nhiều triển vọng. Hướng nghiên cứu này được chú ý nhiều vì các thay đổi, cải tiến đều có ảnh hưởng tích cực đến dung lượng riêng và thời gia sống của pin.


[I]M/n: đương lượng điện hóa tức số gam chất cần để cho 1 mol electron ( 1 electron có q=1.6x10-19C nên với 1 mol electron (số Avogadro N =6.023x1023) sẽ có Q=96485C)[/I]
[I]Hãng SONY vẫn luôn luôn là hãng dẫn đầu trong lĩnh vực này (ngay cả sau khi xảy ra cháy nổ do lỗi pin SONY thì không hãng máy tính nào Dell, Lenovo đổi sang dùng pin khác cả)[/I]

[COLOR=DarkGreen]
[B]Nói chung còn nhiều vấn đề lắm nhưng mà sao khó gõ tiếng Việt trong chemvn quá. How can I do now?????[/B][/COLOR]

Pin notebook tương lai sẽ làm từ... Polymer
 

Một công nghệ pin được giới thiệu từ cách đây 9 năm cuối cũng cùng nhìn thấy được ánh sáng, sau nhiều năm bị che bóng bởi lithium ion.

Chẳng bao lâu nữa, các hãng sản xuất máy tính xách tay sẽ chuyển sang dùng loại pin làm từ Lithium polymer thay cho công nghệ lithium ion phổ biến hiện nay, chủ tịch Stan Glasgow của Sony Electrics cho biết.

Pin lithium Polymer sử dụng lithium làm thành phần hoạt hóa chính. Đây là một chất không ổn định, tuy nhiên, trong gói pin này, lithium sẽ không được đóng gói bên trong các "cell" như pin lithium ion hiện nay. Thay vào đó, nó sẽ được bao bọc mởi một lớp gel polymer. Tất nhiên, mật độ năng lượng của pin polymer không thể cao bằng lithium ion, nhưng đây lại chính là "điểm cộng" của nó.

Các hãng sản xuất, mà cụ thể ở đây là Sony, luôn cố tăng mật độ năng lượng cho pin lithium ion. Nhưng khi hiện tượng chập mạch nội bộ xảy ra, nó có thể dẫn đến phản ứng dây chuyền và bốc cháy.

Dell, Lenovo, Toshiba, Apple Computer và nhiều hãng khác, cùng với Sony, đều đã nếm mùi đau thương của tình trạng này. Gần 10 triệu pin lithium ion đã phải thu hồi trên phạm vi toàn thế giới trong mấy tháng trở lại đây.

Xét từ góc độ lịch sử mà nói, pin polymer chưa bao giờ có thể mang lại tuổi thọ pin dài như nhà sản xuất và người tiêu dùng đòi hỏi. Mitsubishi từng sử dụng pin polymer trong dòng máy Pedion chết yểu của hãng từ năm 1997. Mặc dù có một vài điểm mới trong thiết kế như mỏng hơn và có lớp vỏ tráng bạc sáng loáng, nhưng giá của nó khi ấy tới gần 6000 USD.

Bất chấp số phận lận đận chìm nổi của pin polymer, giới thiết kế vẫn tỏ ra ưu ái công nghệ này, bởi gói gel có thể dễ dàng nén vào bất cứ không gian trống nào bên trong thiết bị. Hơn nữa, theo thời gian, công nghệ polymer cũng ngày càng được cải tiến. Một số hãng thậm chí đã sử dụng nó bên trong ĐTDĐ.

Để đối phó với nguy cơ cháy nổ của pin lithium ion, một vài hãng đang tung ra pin phi-lithium. Lấy thí dụ, Zinc Matrix Power và PowerGenix đều đang quảng bá cho mẫu pin làm từ kẽm dành cho máy tính xách tay. Zinc Matrix cho biết hãng sẽ bắt đầu xuất xưởng loại pin này từ năm 2007.

Tuy nhiên, Chủ tịch Glasgow của Sony tin rằng những công nghệ pin mới cần có thời gian nhiều hơn thế để ra mắt thị trường. "Tôi đoán ít cũng phải 12-18 tháng nữa".

MTI Micro Fuel Cells cũng đang cố gắng khuếch trương cho pin nhiên liệu, công nghệ sử dụng methanol để tạo ra điện năng. Đây cũng là công nghệ pin có nhiều hứa hẹn và đang được lục tục triển khai ở nhiều nước trên thế giới thay cho pin lithium ion.

[url]http://vietnamnet.vn/cntt/2006/12/641987/[/url]

Trên thực tế các nghiên cứu xung quanh pin lithium diễn ra trên tất cả các hướng:

+ Điện cực dương anode do Co độc và giá thành cao nên người ta đang chuyển hướng từ LiCoO2 sang sử dụng LiMn2O4 hay dùng Niken

+ Điên cực âm cathode.

+ Chất điện giải: thay thế LiPF6 vốn dễ phân hủy (nhất là khi có mặt nước) bằng các dung môi mới bền hơn, hướng quan tâm nhiều là các ionic liquid

+ Màng ngăn: thay màng thủy tinh tẩm chất điện giải bằng các polymer dẻo như POE

:thohong(

Các anh cho em hỏi thêm về pin lithium lõi rắn thì sao ạ? Em có nghe nói pin Lithium lõi rắn ko những sẽ khắc phục được nhược điểm cháy nổ mà còn ko tổn thất nhìu điện năng, tuổi thọ cũng khá dài nữa. Mong các anh và các cao nhân điện hóa thảo luận thêm về vấn đề này cho em dc nâng cao hiểu biết với ạ. Em xin chân thành cảm ơn các anh ạ! :hun (

[QUOTE=chocolatenoir;12183]Điện cực dương anode do Co độc và giá thành cao nên người ta đang chuyển hướng từ LiCoO2 sang sử dụng LiMn2O4 hay dùng Niken[/QUOTE]
Em đọc từ các bài báo viết là LiCoO2 dùng làm cathode chứ không phải anode ạ. Không biết em có hiểu nhầm ý của anh chocolatenoir không ạ?
Câu này em chưa hiểu rõ lắm. Mong anh giải thích thêm cho em với ạ.

Em cảm ơn anh nhiều ạ! :hun (

[QUOTE=chocolatenoir;12183]Trên thực tế các nghiên cứu xung quanh pin lithium diễn ra trên tất cả các hướng:

+ Điện cực dương cathode do Co độc và giá thành cao nên người ta đang chuyển hướng từ LiCoO2 sang sử dụng LiMn2O4 hay dùng Niken (niken còn cho phép đưa sức điện động lên mức 5V)

+ Điên cực âm anode.

+ Chất điện giải: thay thế LiPF6 vốn dễ phân hủy (nhất là khi có mặt nước) bằng các dung môi mới bền hơn, hướng quan tâm nhiều là các ionic liquid

+ Màng ngăn: thay màng thủy tinh tẩm chất điện giải bằng các polymer dẻo như POE


[I]P/S Merci bạn tieulytamhoan đã góp ý sửa chữa[/I]