Pin Li-ion hiện đang được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị di động và các phương tiện vận chuyển như xe chạy điện. Tuy nhiên, chúng ta hầu như vẫn chưa hiểu rõ pin Li-ion hoạt động như thế nào và qua thời gian nó đã được cải tiến ra sao. Qua việc tìm hiểu quy trình sạc/xả của pin, các nhà khoa học hy vọng có thể cải thiện hiệu năng cho pin bằng cách sử dụng các vật liệu mới làm điện cực, chẳng hạn như Lithium-iron phosphate.
Pin Li-ion hoạt động như thế nào?
Cũng giống như các loại pin khác, pin Li-ion cũng có thành phần cơ bản là một chất điện phân đóng vai trò trung gian để các ion Lithium truyền qua lại giữa các điện cực dương và âm. Trong một thỏi pin được xả hoàn toàn năng lượng, các ion Lithium mang dấu dương (Li+) sẽ nằm tại điện cực dương bởi theo tính chất hoá học, chúng bị hút về cực dương khi không có electron mang dấu âm (e-). Nếu chúng ta cung cấp electron (tiếp điện cho pin - sạc lại), các ion sẽ tự động tách khỏi cực dương và trở về cực âm. Khi tất cả các ion đều đã bám vào cực âm và được nạp với các electron mang năng lượng cao, chúng ta gọi pin đã được sạc đầy.
Trạng thái ổn định này sẽ bị phá vỡ khi chúng ta "tạo ra một con đuờng" cho các electron hiện đang nằm tại cực âm di chuyển về cực dương của pin. Quá trình này lấy đi các electron thừ Lithium tại điện cực âm và đẩy ngược Li+ về cực dương. Chúng ta có thể sử dụng dòng electron từ cực âm sang cực dương này để vận hành mọi thứ từ máy điều hoà nhịp tim đến xe chạy điện. Hoạt động của pin Li-ion sau cùng chính là sự di chuyển tới/lui giữa 2 cực của các ion Li+.
Pin Li-ion hoạt động như thế nào?
Cũng giống như các loại pin khác, pin Li-ion cũng có thành phần cơ bản là một chất điện phân đóng vai trò trung gian để các ion Lithium truyền qua lại giữa các điện cực dương và âm. Trong một thỏi pin được xả hoàn toàn năng lượng, các ion Lithium mang dấu dương (Li+) sẽ nằm tại điện cực dương bởi theo tính chất hoá học, chúng bị hút về cực dương khi không có electron mang dấu âm (e-). Nếu chúng ta cung cấp electron (tiếp điện cho pin - sạc lại), các ion sẽ tự động tách khỏi cực dương và trở về cực âm. Khi tất cả các ion đều đã bám vào cực âm và được nạp với các electron mang năng lượng cao, chúng ta gọi pin đã được sạc đầy.
Trạng thái ổn định này sẽ bị phá vỡ khi chúng ta "tạo ra một con đuờng" cho các electron hiện đang nằm tại cực âm di chuyển về cực dương của pin. Quá trình này lấy đi các electron thừ Lithium tại điện cực âm và đẩy ngược Li+ về cực dương. Chúng ta có thể sử dụng dòng electron từ cực âm sang cực dương này để vận hành mọi thứ từ máy điều hoà nhịp tim đến xe chạy điện. Hoạt động của pin Li-ion sau cùng chính là sự di chuyển tới/lui giữa 2 cực của các ion Li+.
Tại sao pin Li-ion lại chai?
Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng sự di chuyển của ion cũng khiến cho pin Li-ion chết từ từ. Một nghiên cứu do phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven thực hiện hồi cuối tháng 5 cho thấy vật liệu làm cực âm và cực dương trong pin ngày nay là nguyên nhân gây thoái hoá pin. Họ đã tiến hành quan sát những thay đổi trong một cực dương bằng Nickel oxide khi được sạc và xả liên tục. Kết quả là các ion Li+ khi di chuyển giữa 2 cực sẽ dần đần bị kẹt lại bên trong các kênh truyền dẫn do phản ứng với Nickel oxide và tạo ra các tinh thể nhỏ (một dạng muối). Các tinh thể này làm thay đổi cấu trúc của pin và khiến cho các ion khác di chuyển thiếu hiệu quả, do đó làm giảm dung lượng pin. Vậy là lý do sau cùng dẫn đến chai pin là vật liệu chế tạo 2 cực chưa hoàn hảo. Cho dù được chế tạo kỹ lưỡng thế nào thì các sai sót nhỏ nhất đóng vai trò gieo mầm cho sự hình thành của các tinh thể muối vẫn xuất hiện.
Một nghiên cứu thứ 2 do phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia thuộc cục năng lượng Hoa Kỳ đã tìm hiểu về các tác động của tốc độ sạc và dung lượng trên pin nhưng tập trung nhiều hơn về cực âm. Nghiên cứu này cho thấy việc chạy đua về mật độ năng lượng trong pin Li-ion trên thực tế có thể làm giảm tuổi thọ pin. Pin càng lớn, sạc càng nhanh thì chu kỳ sạc càng ít hơn trước khi các tinh thể muối bắt đầu ảnh hưởng đến nó.
Tại sao pin Li-ion lại phổ biến?
Lý do chính khiến pin Li-ion được sử dụng phổ biến là mật độ năng lượng cao của nó. Một thỏi pin Li-ion nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng. Hơn nữa, pin Li-ion mang lại thời gian sạc tốt hơn và chu kỳ sạc xả nhiều hơn trước khi hỏng. Nếu bạn sử dụng Lithium thuần khiết làm điện cực cho pin, pin sẽ có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn rất nhiều nhưng không thể sạc lại được. Vì vậy, tuỳ thuộc vào vật liệu làm điện cực, bạn có thể tác động mạnh mẽ đến hiệu năng của pin. Mật độ năng lượng phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- tồn tại trên mỗi đơn vị diện tích của điện cực.
Công nghệ pin Li-ion nào đang hứa hẹn?
Nghiên cứu mới do viện công nghệ MIT thực hiện đã nhắm đến một vật liệu tiên tiến hơn cho cực âm, cụ thể là Lithium-iron phosphate (LiFePO4). Pin có cực âm bằng LiFePO4 đã cho thấy khả năng cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ xe điện cho đến các mạng lưới điện nhưng ngay từ khi được giới thiệu, nó lại không được xem là một giải pháp tốt cho các thiết bị công nghệ. Ở dạng thuần khiết, LiFePO4 cho thấy hiệu quả về điện khá nghèo nàn nhưng khi nghiền LiFePO4 thành các hạt nano và phủ bằng carbon, hiệu năng của vật liệu này đã được cải thiện đáng kể.
Thiết kế cực âm nano mới đang thu hút được sự chú ý từ phía các nhà phát triển pin không phải bởi khả năng lưu trữ mà là điện áp đồng nhất khi xả pin. Điều này có nghĩa pin sẽ không cần tích hợp các thiết bị điều biến điện áp, do đó pin sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn và cho phép xả toàn bộ điện áp cho đến khi cạn năng lượng. Để thực hiện, MIT đã tạo ra một khu vực trong pin có tên gọi Solid Solution Zone (SSZ) - một khu vực đệm chứa Li+ mật độ thấp để làm mềm ranh giới giữa các thành phần LiFePO4 được nạp và FePO4 được xả của điện cực trong quá trình sử dụng pin. Qua đó, SSZ có thể mở rộng công nghệ pin Li-ion và kéo dài tuổi thọ cho pin.
Thiết kế cực âm nano mới đang thu hút được sự chú ý từ phía các nhà phát triển pin không phải bởi khả năng lưu trữ mà là điện áp đồng nhất khi xả pin. Điều này có nghĩa pin sẽ không cần tích hợp các thiết bị điều biến điện áp, do đó pin sẽ nhỏ hơn, rẻ hơn và cho phép xả toàn bộ điện áp cho đến khi cạn năng lượng. Để thực hiện, MIT đã tạo ra một khu vực trong pin có tên gọi Solid Solution Zone (SSZ) - một khu vực đệm chứa Li+ mật độ thấp để làm mềm ranh giới giữa các thành phần LiFePO4 được nạp và FePO4 được xả của điện cực trong quá trình sử dụng pin. Qua đó, SSZ có thể mở rộng công nghệ pin Li-ion và kéo dài tuổi thọ cho pin.
Theo: ExtremeTech