Pin lithium-ion là gì? Những điều cần biết về pin Pin lithium-ion
Pin lithium-ion là gì và nó hoạt động như thế nào?
Pin lithium-ion (Li-ion) là một công nghệ pin tiên tiến sử dụng các ion lithium làm thành phần chính của điện hóa học. Trong chu kỳ phóng điện, các nguyên tử liti trong cực dương bị ion hóa và tách ra khỏi các electron của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đạt đến cực âm, nơi chúng tái kết hợp với các electron của chúng và trung hòa điện. Các ion liti đủ nhỏ để có thể di chuyển qua một dải phân cách thấm vi mô giữa cực dương và cực âm. Một phần do kích thước nhỏ của lithium (chỉ đứng thứ ba sau hydro và heli), pin Li-ion có khả năng có điện áp rất cao và lưu trữ sạc trên một đơn vị khối lượng và đơn vị thể tích.
Pin Li-ion có thể sử dụng một số vật liệu khác nhau làm điện cực. Sự kết hợp phổ biến nhất là lithium coban oxit (cực âm) và than chì (cực dương), thường được tìm thấy trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động và máy tính xách tay và thay pin đồng hồ. Các vật liệu catốt khác bao gồm lithium mangan oxide (được sử dụng trong ô tô điện và điện hybrid) và lithium iron phosphate. Pin Li-ion thường sử dụng ether (một loại hợp chất hữu cơ) làm chất điện phân.
Một số ưu điểm của pin Li-ion là gì?
So với các công nghệ pin sạc chất lượng cao khác (niken-cadmium hoặc niken-kim loại-hydride), pin Li-ion có một số ưu điểm. Chúng có một trong những mật độ năng lượng cao nhất của bất kỳ công nghệ pin nào hiện nay (100-265 Wh / kg hoặc 250-670 Wh / L). Ngoài ra, các tế bào pin Li-ion có thể cung cấp tới 3,6 Volts, cao gấp 3 lần so với các công nghệ như Ni-Cd hoặc Ni-MH. Điều này có nghĩa là chúng có thể cung cấp một lượng lớn dòng điện cho các ứng dụng năng lượng cao, có pin Li-ion cũng được bảo trì tương đối thấp và không yêu cầu đạp xe theo lịch trình để duy trì tuổi thọ pin của chúng. Pin Li-ion không có hiệu ứng bộ nhớ, một quá trình bất lợi trong đó chu kỳ xả / sạc một phần lặp đi lặp lại có thể khiến pin 'nhớ' dung lượng thấp hơn. Đây là một lợi thế so với cả Ni-Cd và Ni-MH, hiển thị hiệu ứng này. Pin Li-ion cũng có tỷ lệ tự xả thấp khoảng 1,5-2% mỗi tháng. Chúng không chứa cadmium độc hại, giúp chúng dễ thải bỏ hơn pin Ni-Cd.
Do những ưu điểm này, pin Li-ion đã thay thế pin Ni-Cd trở thành công ty dẫn đầu thị trường trong các thiết bị điện tử cầm tay (như điện thoại thông minh và máy tính xách tay). Pin Li-ion cũng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hệ thống điện cho một số ứng dụng hàng không vũ trụ, đáng chú ý là Boeing 787 mới và thân thiện với môi trường hơn, trong đó trọng lượng là một yếu tố chi phí đáng kể. Từ góc độ năng lượng sạch, phần lớn lời hứa của công nghệ Li-ion đến từ các ứng dụng tiềm năng của chúng trong ô tô chạy bằng pin. Hiện tại, những chiếc xe điện bán chạy nhất, Nissan Leaf và Tesla Model S, đều sử dụng pin Li-ion làm nguồn nhiên liệu chính.
Một số nhược điểm của pin Li-ion là gì?
Mặc dù hứa hẹn về công nghệ, pin Li-ion vẫn có một số thiếu sót, đặc biệt là liên quan đến an toàn. Pin Li-ion có xu hướng quá nóng và có thể bị hỏng ở điện áp cao. Trong một số trường hợp, điều này có thể dẫn đến sự thoát nhiệt và đốt cháy. Điều này đã gây ra những vấn đề đáng kể, đáng chú ý là việc đội bay Boeing 787 phải hạ cánh sau khi các vụ cháy pin trên máy bay được báo cáo. Do những rủi ro liên quan đến những loại pin này, một số công ty vận chuyển từ chối thực hiện các lô hàng pin số lượng lớn bằng máy bay. Pin Li-ion yêu cầu các cơ chế an toàn để hạn chế điện áp và áp suất bên trong, có thể làm tăng trọng lượng và hạn chế hiệu suất trong một số trường hợp. Pin Li-ion cũng có thể bị lão hóa, có nghĩa là chúng có thể mất dung lượng và thường xuyên bị hỏng sau một số năm. Một yếu tố khác hạn chế việc áp dụng rộng rãi của họ là chi phí của họ, cao hơn khoảng 40% so với Ni-Cd. Giải quyết những vấn đề này là một thành phần quan trọng cho nghiên cứu hiện tại về công nghệ. Cuối cùng, mặc dù mật độ năng lượng của Li-ion cao so với các loại pin khác, chúng vẫn có mật độ năng lượng thấp hơn khoảng một trăm lần so với xăng (chứa 12.700 Wh / kg theo khối lượng hoặc 8760 Wh / L theo thể tích).
Đóng góp CEI
Điểm nổi bật của nghiên cứu
Một cách mà CEI đã làm việc để thực hiện điều này là thông qua hình ảnh trực tiếp, đặc biệt là sử dụng quang phổ tia X. Gần đây, phòng thí nghiệm của Giáo sư Jerry Seidler đã phát triển một phương pháp để thực hiện quang phổ hấp thụ tia X gần cấu trúc cạnh (XANES) trên băng ghế dự bị. Kỹ thuật này có thể cho phép đo tương đối chi tiết các đặc điểm nhất định của trạng thái bên trong pin mà không cần phải mở nó và do đó làm gián đoạn hệ thống. Trước đây, XANES chỉ có thể được thực hiện với một thông lượng bức xạ cực cao, từ các dụng cụ như synchrotron. Đây là những cơ sở cực kỳ lớn, đắt tiền, chi phí lên tới 1 tỷ đô la và có nhu cầu cao đối với các nhà khoa học đến nỗi danh sách chờ đợi kéo dài hàng tháng là tiêu chuẩn. Tận dụng các công nghệ quang học mới, tiên tiến, phòng thí nghiệm của Seidler đã có thể chế tạo một thiết bị nhỏ, trị giá 25.000 đô la có thể bắt chước các phép đo được thực hiện tại synchrotron. Với công cụ mới này, các nhà khoa học có thể có kết quả trong nhiều giờ mà không cần thời gian chờ đợi đáng kể, làm tăng đáng kể tốc độ phát triển cho các công nghệ ngẫu nhiên.
Một khía cạnh khác của nghiên cứu pin CEI liên quan đến việc tạo ra các mô hình vật lý, toán học và tính toán cho các trạng thái bên trong của pin. Điều này có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất pin và chu kỳ sạc / xả, cũng như giúp dự đoán và ngăn ngừa các lỗi pin nguy hiểm. Giáo sư Venkat Subramanian, người điều hành Phòng thí nghiệm Mô hình hóa, Phân tích và Kiểm soát Quá trình cho Hệ thống Điện hóa (M.A.P.L.E.), phát triển và cải cách các mô hình pin vật lý, đồng thời nghiên cứu các phương pháp mô phỏng và giải quyết các mô hình này với hiệu quả và độ chính xác cao hơn. Bằng cách cung cấp một mô hình hiệu quả, linh hoạt và chính xác hơn cho công nghệ pin Li-ion, nghiên cứu của phòng thí nghiệm M.A.P.L.E. có thể giúp thiết kế pin chính xác hơn, để vận hành an toàn và hiệu quả hơn.
Các trọng tâm khác
Phần lớn nghiên cứu hiện tại của CEI liên quan đến việc phát triển các cách để hiểu rõ hơn và thao tác các trạng thái bên trong quan trọng của pin Li-ion. Hiểu được hoạt động bên trong của pin là công cụ để cải thiện thiết kế và đánh giá các chế độ hỏng hóc của nó.
Một thành phần lớn khác của nghiên cứu CEI liên quan đến việc phát triển các vật liệu mới để cải thiện hiệu suất pin. Trọng tâm của CEI bao gồm cả khoa học vật liệu cấp cao, chẳng hạn như phát triển và thay thế các vật liệu thay thế vào pin Li-ion, cũng như đặc tính và thiết kế của vật liệu có cấu trúc nano hoặc vật liệu có tính chất được xác định ngay cả ở độ chính xác quy mô nano. Các nhà nghiên cứu CEI cũng đang khám phá các vật liệu có thể cung cấp các lựa chọn thay thế cho công nghệ pin Li-ion.
Silicon đang được nghiên cứu như một vật liệu cực dương vì nó có thể tạo thành một lồng 3D có nhiều khả năng hấp thụ lithium hơn.