Hiện nay công nghệ chế tạo pin lithium-ion đang là sự lựa chọn phổ biến cho ngành công nghiệp nhờ những ưu điểm vượt trội của nó so với các dùng pin khác, giúp sản phẩm nên thân thiện với khách hàng hơn.
Việc sử dụng pin đối với các phương tiện giao thông giúp đem lại một nguồn năng lượng xanh mà không thải ra bất kỳ loại khí độc hại nào cho môi trường, tuy nhiên quá trình khai thác nguồn nguyên liệu thô dùng trong các loại pin này có tác động đáng kể đến môi trường.
Tình hình công nghệ biến chuyển
Năm 2021, thế giới trải qua những tác động lớn về mặt kinh tế xã hội khi dịch bệnh SAR-COV-2 tiếp tục diễn ra, nhiều doanh nghiệp phải thay đổi chính sách kinh doanh, cắt giảm chi phí để tồn tại trong một cuộc khủng hoảng chưa từng có tiền lệ.
Một cuộc chạy đua sản xuất vaccines trên toàn cầu diễn ra một cách khốc liệt giữa hàng chục hãng dược phẩm lớn, tuy nhiên năng lượng xanh vẫn là yếu tố quan trọng cho sự phát triển lâu dài của nhân loại giúp làm giảm thiểu lượng khí thải CO2 và sự nóng lên của trái đất.
Với một lượng lớn nước cần tiêu thụ pin sẽ là rào cản cho sự phát triển của thị trường trong những năm tới, đòi hỏi những điều chỉnh về mặt công nghệ đối với các doanh nghiệp sản xuất và khai thác. Ngoài ra, đòi hỏi về chất lượng pin như thời gian sạc, tuổi thọ pin, khả năng lưu trữ năng lượng và giá thành cũng là những thử thách mà ngành công nghiệp này cần vượt qua.
Lithium được Arfwedson và Berzelius phát hiện vào năm 1817 nhờ phân tích quặng petalite (LiAlSi4O10), tuy nhiên Lithium được phân lập thông qua quá trình điện phân Lithium oxide của Brande và Davy vào năm 1821.
Cho tới một thế kỷ sau, Lewis mới khám phá ra tính chất điện hoá của nó khi xem xét các tính chất vật lý tuyệt vời của Lithium như tỷ trọng thấp (0,534 g/cm3), dung lượng riêng cao (3860 mAh/g) và thế oxi hoá khử thấp (-3,04 V vs. SHE).
Công nghệ sản xuất pin Lithium Ion
Cấu trúc của pin thông thường bao gồm một hoặc nhiều tế bào, mỗi tế bào đều chứa một điện cực dương (cathode), một điện cực âm (anode), một bộ phân tách và chất điện phân.
Trong pin lithium-ion (Li-ion), việc lưu trữ và giải phóng năng lượng được cung cấp bởi sự di chuyển của các lithium-ion từ điện cực dương sang điện cực âm qua lại qua chất điện phân.
Trong công nghệ chế tạo pin này, điện cực dương đóng vai trò là nguồn lithium ban đầu và điện cực âm đóng vai trò thu nhận lithium.
Một số thành phần hóa học được kết hợp dưới tên pin Li-ion, là kết quả của nhiều thập kỷ lựa chọn và tối ưu hóa của các vật liệu hoạt động cực dương và cực âm. Các Lithiated metal oxides hoặc phosphates là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm cực dương hiện nay. Graphite, nhưng cũng có thể dùng graphite/silicon hoặc lithiated titanium oxides làm vật liệu cực âm.
- Công nghệ chế tạo pin Li-ion cho phép mật độ năng lượng ở mức cao nhất.
- Các hiệu năng như sạc nhanh hoặc nhiệt độ hoạt động (-50°C đến 125°C) có thể được tinh chỉnh bằng sự lựa chọn lớn về thiết kế tế bào và thành phần hoá học.
- Ngoài ra, pin Li-ion còn thể hiện các ưu điểm bổ sung như khả năng tự xả điện rất thấp, tuổi thọ và chu kỳ hoạt động rất dài, thường là hàng nghìn chu kỳ sạc / xả.
Pin Lithium Sulfur (Li-S)
Một loại pin khác cũng sử dụng Lithium là pin Lithium Sulfur, đây là loại pin không sử dụng cấu trúc thu nhận như trong pin Li-ion.
Trong quá trình xả điện, cực anode Lithium được tiêu thụ, và lưu huỳnh chuyển hoá thành nhiều hợp chất hoá học khác nhau, và khi sạc pin quá trình ngược lại diễn ra.
Pin Li-S sử dụng các vật liệu hoạt động rất nhẹ: lưu huỳnh ở điện cực dương và lithium kim loại làm điện cực âm. Đây là lý do tại sao mật độ năng lượng lý thuyết của nó cao phi thường: lớn hơn gấp bốn lần so với Li-ion và làm cho pin Li-S phù hợp với các ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ.
Pin thể rắn – loại pin của tương lai
Hiện nay, các nhà sản xuất pin đang nghiên cứu một loại pin thể rắn có ưu điểm vượt trội về độ an toàn và hiệu năng so với Li-ion.
Trong pin Li-ion, các ion di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác qua chất điện phân lỏng còn trong các loại pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, chất điện phân lỏng được thay thế bằng một hợp chất rắn, tuy nhiên, vẫn cho phép các ion lithium di chuyển bên trong nó.
Khái niệm này không còn mới, nhưng trong hơn 10 năm qua – nhờ nghiên cứu chuyên sâu trên toàn thế giới – đã phát hiện ra các chất điện phân rắn mới với độ dẫn ion rất cao, tương tự như chất điện phân lỏng.
- Các loại pin thể rắn cải thiện đáng kể về độ an toàn ở cấp độ tế bào và pin: chất điện phân rắn không bắt lửa khi gia nhiệt và cho thấy sự ổn định ở khoảng nhiệt độ rộng hơn so với các chất điện phân lỏng.
- Thứ hai, nó cho phép sử dụng các vật liệu có công suất cao, điện áp cao, cho phép các loại pin đặc hơn, nhẹ hơn với thời hạn sử dụng tốt hơn do giảm quá trình tự xả điện.
Pin thể rắn hứa hẹn sẽ là một loại pin quan trọng được ứng dụng cho các dòng xe ô tô điện khi các hãng sản xuất lớn như Toyota, BMW, Huyndai,.. úp mở về việc phát triển dòng pin này.
Xem thêm: Dụng cụ chạy pin dùng trong ngành cơ khí và sửa chữa