Định nghĩa, cấu trúc, tính năng, dự trữ nguyên liệu thô và giảm tổn thất của Pin Lithium-Ion (Pin thứ cấp).

Pin lithium-ion, một loại pin thứ cấp, là hệ thống lưu trữ năng lượng có thể sạc lại thiết yếu cung cấp năng lượng cho nhiều công nghệ hiện đại, từ điện thoại thông minh đến xe điện. Chúng hoạt động thông qua chuyển động của các ion lithium giữa cực dương và cực âm, được hỗ trợ bởi bộ tách và chất điện phân, với mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả.

 

Pin thứ cấp, còn được gọi là pin sạc hoặc bình tích điện, là thiết bị lưu trữ năng lượng có thể sạc và xả nhiều lần.

Không giống như pin chính, được thiết kế để sử dụng một lần, pin thứ cấp sử dụng các phản ứng điện hóa có thể đảo ngược cho phép chúng được sạc lại bằng cách áp dụng dòng điện bên ngoài.

Khả năng sạc lại này giúp pin thứ cấp tiết kiệm chi phí hơn và thân thiện với môi trường hơn về lâu dài.

Các đặc điểm chính của pin thứ cấp bao gồm:

• Mật độ công suất và tốc độ xả cao
• Hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp
• Khả năng được sử dụng làm cả thiết bị lưu trữ năng lượng và nguồn điện di động
• Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xe điện, thiết bị điện tử tiêu dùng, lưu trữ năng lượng tái tạo và hệ thống nguồn điện dự phòng công nghiệp
• Các loại phổ biến bao gồm pin lithium-ion, axit chì, niken-cadmium và niken-kim loại hydride

Mặc dù pin thứ cấp mang lại nhiều lợi thế, nhưng chúng có thể có mật độ năng lượng thấp hơn và chi phí ban đầu cao hơn so với pin chính.

Các nghiên cứu đang được tiến hành tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, độ an toàn và tính bền vững của chúng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công nghệ hiện đại và hệ thống năng lượng.

 

Pin thứ cấp có nhiều loại, mỗi loại có các tính năng và ứng dụng riêng biệt.

Các loại phổ biến nhất bao gồm:

• Pin axit chì: Được biết đến với chi phí thấp và hoạt động tốt ở nhiệt độ cao/thấp, chúng được sử dụng rộng rãi trong ô tô, máy cắt cỏ và máy bay. Tuy nhiên, chúng có mật độ năng lượng thấp và khả năng giữ điện tích kém.
• Pin niken-cadmium (NiCd): Có độ bền vật lý và khả năng giữ điện tích tốt, nhưng bị "hiệu ứng nhớ" và chứa cadmium độc hại. Chúng thường được sử dụng trong máy bay và các ứng dụng nguồn điện khẩn cấp.
• Pin niken-kim loại hydride (NiMH): Cung cấp mật độ năng lượng cao hơn pin NiCd và thân thiện với môi trường hơn. Chúng thường được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng và thiết bị di động.
• Pin lithium-ion (Li-ion): Có mật độ năng lượng cao nhất trong số các loại pin thứ cấp, khiến chúng trở nên lý tưởng cho thiết bị điện tử di động và xe điện. Chúng có tuổi thọ chu kỳ dài và không có hiệu ứng nhớ, nhưng đắt hơn pin axit chì.

Mỗi loại pin thứ cấp đều có ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau dựa trên các yếu tố như mật độ năng lượng, chi phí, vòng đời và tác động đến môi trường.

Pin lithium-ion có một số ưu điểm chính so với các công nghệ pin khác, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng:

• Mật độ năng lượng cao: Pin Li-ion có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn 3-4 lần so với pin niken-cadmium cùng kích thước, cho phép thiết bị hoạt động lâu hơn và thiết kế nhỏ hơn, nhẹ hơn.
• Tuổi thọ chu kỳ dài: Nếu được chăm sóc đúng cách, pin Li-ion có thể chịu được 2.000 chu kỳ sạc-xả trở lên, trong nhiều trường hợp có thể kéo dài 8-10 năm.
• Sạc nhanh: Pin Li-ion hỗ trợ sạc nhanh, một số hệ thống có thể đạt công suất tối đa trong vòng một giờ.
• Tự xả thấp: Khi không sử dụng, pin Li-ion chỉ mất 2-3% điện tích mỗi tháng, duy trì nguồn điện trong thời gian dài hơn.
• Không có hiệu ứng bộ nhớ: Không giống như một số loại pin sạc khác, pin Li-ion không cần phải xả hoàn toàn trước khi sạc lại, duy trì công suất tối đa.

Những ưu điểm này khiến pin Li-ion trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng, từ thiết bị điện tử cầm tay đến xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.

 

Pin lithium-ion, mặc dù được sử dụng rộng rãi, có một số nhược điểm đáng chú ý:

• Mối quan ngại về an toàn: Những loại pin này dễ bị mất kiểm soát nhiệt, có khả năng dẫn đến hỏa hoạn hoặc nổ, đặc biệt là khi bị hư hỏng hoặc quản lý không đúng cách.
• Nhạy cảm với nhiệt độ khắc nghiệt: Hiệu suất và tuổi thọ có thể bị ảnh hưởng đáng kể khi tiếp xúc với nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp.
• Chi phí sản xuất cao: Quy trình sản xuất phức tạp và vật liệu được sử dụng khiến pin lithium-ion đắt hơn một số loại pin thay thế khác.
• Tuổi thọ hạn chế: Theo thời gian, pin lithium-ion bị suy giảm, thường chỉ chịu được 500-1000 chu kỳ sạc trước khi dung lượng giảm đáng kể.
• Tác động đến môi trường: Việc khai thác lithium và các vật liệu khác có thể gây hại cho hệ sinh thái, làm ô nhiễm nguồn nước và góp phần gây ô nhiễm không khí.

Ngoài ra, pin lithium-ion cần có mạch bảo vệ để ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức và xả sâu, làm tăng thêm sự phức tạp cho thiết kế và sử dụng của chúng.

Nhu cầu ngày càng tăng đối với những loại pin này cũng làm dấy lên mối lo ngại về tính khả dụng lâu dài của các khoáng chất chính như lithium, coban và niken.

Pin lithium-ion bao gồm bốn thành phần chính: catốt, anot, chất điện phân và bộ tách.

Catốt thường được làm bằng oxit kim loại lithium, trong khi anot thường là than chì.

Chất điện phân, muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ, tạo điều kiện cho ion di chuyển giữa các điện cực.

Bộ tách vi xốp ngăn không cho tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực trong khi vẫn cho phép ion chảy.

Pin hoạt động theo nguyên tắc xen kẽ lithium có thể đảo ngược.

Trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ catốt đến anot qua chất điện phân, trong khi các electron chảy qua mạch ngoài.

Quá trình này lưu trữ năng lượng trong pin. Khi xả, các ion và electron đảo ngược hướng, giải phóng năng lượng để cấp nguồn cho các thiết bị được kết nối.

Cơ chế "ghế bập bênh" này của các ion lithium di chuyển qua lại giữa các điện cực cho phép pin có khả năng sạc lại và hiệu suất năng lượng cao.

 

Trong pin lithium-ion, cực dương và cực âm đóng vai trò quan trọng trong quá trình lưu trữ và giải phóng năng lượng. Cực dương, thường được làm bằng than chì, đóng vai trò là điện cực âm trong quá trình xả, giải phóng các ion và electron lithium.

Ngược lại, cực âm, thường được tạo thành từ các hợp chất gốc lithium như oxit coban lithium, đóng vai trò là điện cực dương, tiếp nhận các ion và electron này.

Trong quá trình sạc, vai trò của chúng đảo ngược, cực dương tiếp nhận các ion lithium và cực âm giải phóng chúng.

Quá trình chuyển động ion thuận nghịch giữa các điện cực này, được chất điện phân tạo điều kiện thuận lợi, cho phép pin lưu trữ và cung cấp năng lượng điện một cách hiệu quả.

 

Bộ tách là một thành phần quan trọng trong pin lithium-ion, đóng vai trò như một màng thấm giữa cực dương và cực âm.

Chức năng chính của nó bao gồm:

• Ngăn chặn tiếp xúc vật lý giữa các điện cực để tránh đoản mạch
• Cho phép vận chuyển ion qua cấu trúc xốp của nó để tạo điều kiện cho các phản ứng điện hóa
• Cung cấp hỗ trợ cơ học và duy trì khoảng cách điện cực thích hợp
• Hoạt động như một bể chứa chất điện phân để đảm bảo phân phối ion đồng đều
• Tăng cường độ an toàn của pin thông qua khả năng tắt nhiệt

Bộ tách thường được làm bằng màng polyme xốp siêu nhỏ, chẳng hạn như polyethylene hoặc polypropylene, được thiết kế để chịu được môi trường hóa học của pin trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Các đặc tính của bộ tách, bao gồm độ xốp, độ dày và độ ổn định nhiệt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ của pin.

 

Chất điện phân trong pin lithium-ion là thành phần quan trọng giúp vận chuyển ion giữa các điện cực. Nó thường bao gồm các muối lithium hòa tan trong dung môi hữu cơ, với các chất phụ gia để tăng cường hiệu suất và độ an toàn.

Muối lithium được sử dụng phổ biến nhất là lithium hexafluorophosphate (LiPF6), được biết đến với độ dẫn điện và độ ổn định tuyệt vời.

Dung môi hữu cơ thường bao gồm hỗn hợp các cacbonat vòng (như etylen cacbonat) và các cacbonat tuyến tính (như dimethyl cacbonat).

Các chức năng chính của chất điện phân bao gồm:

• Dẫn ion lithium giữa các điện cực trong chu kỳ sạc và xả
• Cung cấp môi trường cho các phản ứng điện hóa
• Hình thành lớp bảo vệ trên bề mặt điện cực, được gọi là pha điện phân rắn (SEI)
• Đảm bảo độ ổn định nhiệt và hóa học bên trong pin

Thành phần và tính chất của chất điện phân ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của pin, bao gồm mật độ năng lượng, công suất đầu ra và tuổi thọ chu kỳ.

Nghiên cứu đang được tiến hành tập trung vào việc phát triển các chất điện phân tiên tiến, chẳng hạn như chất điện phân trạng thái rắn và nồng độ cao, để cải thiện độ an toàn và hiệu suất trong pin thế hệ tiếp theo.

Pin lithium-ion dựa vào một số nguyên liệu thô chính để sản xuất, trong đó các thành phần quan trọng nhất là:

• Lithium: Cần thiết cho catốt và chất điện phân, thường có nguồn gốc từ các mỏ nước muối hoặc mỏ đá cứng
• Graphite: Được sử dụng trong anot, có sẵn ở cả dạng tổng hợp và tự nhiên
• Coban: Một vật liệu catốt quan trọng, chủ yếu được khai thác ở Cộng hòa Dân chủ Congo
• Niken: Ngày càng quan trọng trong các hóa chất catốt mới để cải thiện mật độ năng lượng
• Mangan: Được sử dụng trong một số công thức catốt để tăng cường độ ổn định và giảm chi phí
• Đồng: Được sử dụng cho bộ thu dòng điện và hệ thống dây điện

Nhu cầu về những vật liệu này dự kiến ​​sẽ tăng đáng kể khi việc áp dụng xe điện tăng lên. Ví dụ, nhu cầu về lithium dự kiến ​​sẽ tăng 2,5 đến 5 lần vào năm 2030, có khả năng đạt 240.000 đến 450.000 tấn mỗi năm.

Mặc dù có lo ngại về tình trạng khan hiếm vật liệu, các chuyên gia lập luận rằng có đủ nguồn lực để đáp ứng nhu cầu trong tương lai, với điều kiện các nỗ lực thăm dò, sản xuất và tái chế được mở rộng tương ứng.

 

Pin lithium-ion phụ thuộc vào một số vật liệu chính, với trữ lượng thay đổi đáng kể trên toàn cầu. Úc và Chile dẫn đầu về trữ lượng lithium, nắm giữ lần lượt 9,3 triệu và 6,2 triệu tấn, trị giá hơn 500 tỷ đô la cộng lại.

Đối với niken, một thành phần quan trọng trong hóa học catốt tiên tiến, tổng tài nguyên được xác định trên toàn cầu là 300 triệu tấn, với các mỏ đáng kể ở Indonesia, Úc và Brazil.

Đồng, thành phần thiết yếu cho độ dẫn điện của pin, đã xác định được các nguồn tài nguyên là 2,1 tỷ tấn trên toàn cầu, với 3,5 tỷ tấn bổ sung ước tính trong các mỏ chưa được phát hiện.

Trữ lượng coban rất tập trung, với Cộng hòa Dân chủ Congo thống trị sản lượng.

Bất chấp những lo ngại về tình trạng khan hiếm vật liệu, các chuyên gia lập luận rằng không có tình trạng thiếu hụt nguyên liệu thô cơ bản cho pin lithium-ion.

Khi nhu cầu tăng lên, hoạt động thăm dò và sản xuất quặng chất lượng thấp có khả năng sẽ mở rộng, đảm bảo nguồn cung dài hạn cho thị trường lưu trữ năng lượng và xe điện đang phát triển.