Cấu tạo của pin lithium ion gồm 3 thành phần cơ bản: điện cực
dương, điện cực âm và chất điện phân. Ngoài ra còn có một số thành phần khác. cấu tạo linh kiện trong pin
1.1.1 Điện cực dương.
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong
đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn... hay các hợp chất thay
thế một phần cho nhau giữa các kim loại M. Pin Li-ion đầu tiên được hãng Sony
sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do
Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo. Hợp chất được sử dụng tiếp sau
đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu códung lượng cao
hơn như LiNi1-xCoxO2. cung cấp linh kiện
Các vật liệu
dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu sau:
-
Năng lượng tự do cao
trong phản ứng với Lithium.
-
Có thể kết hợp được một
lượng lớn Lithium.
-
Không thay đổi cấu trúc
khi tích và phóng ion Li+.
-
Hệ số khuếch tán ion Li+
lớn.
-
Dẫn điện tốt.
-
Không tan trong dung
dịch điện li.
Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương
nói chung được thống kê trong bảng 2.2.
Loại vật liệu
|
Dung lượng riêng(mAh/g)
|
Thế trungbình (V)
|
Ưu - Nhược điểm
|
LiCoO2
|
155
|
3,88
|
Thông dụng,
giá Co đắt.
|
LiNi0,7Co0,3O2
|
190
|
3,70
|
Giá thành
trung bình.
|
LiNi0,8Co0,2O2
|
205
|
3,73
|
Giá thành
trung bình.
|
LiNi0,9Co0,1O2
|
220
|
3,76
|
Có dung lượng
riêng cao nhất.
|
LiNiO2
|
200
|
3,55
|
Phân li mạnh
nhất.
|
LiMn2O4
|
120
|
4,00
|
Mn rẻ, tính
độc hại thấp, ít phân li.
|
Bảng 1.2. Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.
Từ bảng ta thấy
tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bình của pin.
1.1.2
Điện cực âm.
Loại pin Li-ion
đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm. Vật liệu nền than
cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g và bền trong dung dịch propylene
thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB)
carbon. MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diện tích bề mặt
nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao. Mới đây,
các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá. Một số
pin dùng graphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay
thế carbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite. cung cấp linh kiện
Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê
trong bảng 1.3.
Carbon
|
Loại
|
Dung lượng
riêng mAh/g)
|
Dung lượng
không đảo ngược
được (mAh/g)
|
Kích thước
phần tử
(D50mm)
|
Diện tích
bề mặt
(m2/g)
|
KS6
|
Graphite tổng
hợp
|
316
|
60
|
6
|
22
|
KS15
|
Graphite tổng
hợp
|
350
|
190
|
15
|
14
|
KS44
|
Graphite tổng
hợp
|
345
|
45
|
44
|
10
|
MCMB25-28
|
Graphite cầu
|
305
|
19
|
26
|
0,86
|
MCMB10-28
|
Graphite cầu
|
290
|
30
|
10
|
2,64
|
Sterling 2700
|
Graphitized
Carbon đen
|
200
|
152
|
0,075
|
30
|
XP 30
|
Peteoleum coke
|
220
|
55
|
45
|
N/A
|
Repsol LQNC
|
Than cốc dạng
kim
|
234
|
104
|
45
|
6,7
|
Grasker
|
Sợi carbon
|
363
|
35
|
23
|
11
|
Bảng 1.3. Đặc trưng của các loại carbon.
1.1.3 Chất điện li.
Có bốn loại chất điện li được sử dụng trong pin Li-ion: chất
điện li dạng lỏng, các chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime)
và chất điện li dạng gốm.
-Chất điện li dạng lỏng: cấu tạo pin lithium ion là những muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4)
được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC).
-Chất điện li dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hoà tan muối
và dung môi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel.
-Chất điện li dạng
polimer: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự
hoà tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn.
-Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion
Li+.
Mỗi loại chất
điện li có các ưu điểm khác nhau. Nhưng nói chung, các chất điện li này phải có
khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi
trường như độ ẩm, không khí …
1.1.4
Dung môi.
Dung môi được sử dụng cấu tạo linh kiện trong pin rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng
được dùng thay thế cho chất điện phân khô. Tiêu điểm hiện nay của ngành công
nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt và có
tính tương thích với các vật liệu làm điện cực. Các dung môi carbonate nguyên
chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10-7S/cm, hằng số điện môi
lớn hơn 3, và dung hợp các muối Lithium cao. cung cấp linh kiện
Một số dung môi hữu cơ
được dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene carbonate(PC), dimethyl
carbonate(DMC), ethyl methyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC),
dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF), g - Butyrolactone(
BL).
1.1.5
Vật cách điện.
Trong các pin Li-ion, cấu tạo pin vật liệu cách
điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10mm
30mm) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương. Ngày nay,
các loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp
chế tạo từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất
tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được. Các vật liệu Nonwoven
cũng được nghiên cứu, song không những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các
màng có độ dày đồng đều, độ bền cao.
Nhìn chung, các
vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
-
Có độ bền cơ học cao.
-
Không bị thay đổi kích
thước.
-
Không bị đánh thủng bởi
các vật liệu làm điện cực.
-
Kích thước các lỗ xốp
nhỏ hơn 1 mm.
-
Dễ bị thấm ướt bởi chất
điện phân.
-
Phù hợp và ổn định khi
tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực.
1.2 Phân loại.
Pin Li-ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau,
thường có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ.
1.2.1 Pin Li-ion dạng trụ.
Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong
hình sau :
Hình 1.3. Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ.
1.2.2 Pin Li-ion lăng trụ phẳng
Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự
như phiên bản trụ, chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm
trụ. Linh kiện pin lithium
Hình 1.4. Mặt cắt của một pin
Li-ion lăng trụ.
Hình1.5. Phần đầu và các điện cực của pin
Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà).
0 nhận xét:
Đăng nhận xét