Tìm hiểu về Pin lithium ion: Lịch sử, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Pin Lithium ion được ứng dụng trên xe điện VinFast có lịch sử phát triển như thế nào? Cấu tạo và và nguyên lý hoạt động ra sao?

Pin Lithium ion là gì?

Pin lithium ion hay còn gọi là pin lion, viết tắt là LIB. Đây là công nghệ pin tiên tiến có ion lithium là thành phần chính, điều đặc biệt là loại pin này có thể sạc được.

Pin lithium ion là loại pin có thể sạc được

Pin Lithium thường dùng cho các thiết bị như: Điện thoại, máy tính, máy chụp hình… Hiện nay, pin lithium còn được chú trọng phát triển trên những ứng dụng phương tiện di chuyển chạy bằng điện như: Xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện... hoặc kỹ thuật ở các ngành quân đội, hàng không...

Lịch sử phát triển của pin lithium ion

Vào năm 1970, M. Stanley Whittingham là nhà hóa học người Anh, khi làm việc cho Exxon, đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium từ thí nghiệm này không thể ứng dụng vào thực tế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không. Nếu để thực hiện điều này sẽ rất tốn kém (khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970).

Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí. Chính vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham.

Lịch sử phát triển pin lithium ion trải qua sự phát triển của 3 giáo sư 

Năm 1980, John Goodenough là giáo sư vật lý người Mỹ đã phát minh ra một loại pin lithium khác. Ông đã tạo ra pin lithium nhờ sự kết hợp giữa lithium coban oxit, có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dưới dạng ion Li+.

Đến năm 1983, Akira Yoshino giáo sư của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Nguyên mẫu này có vật liệu cực dương không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dương trong quá trình sạc. Phát minh này của Yoshino là tiền thân trực tiếp của pin Lithium ion (LIB) thời hiện đại.

Pin lithium ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec năm 1991. Ngày nay lithium đã trở thành loại pin thống trị trên thị trường dành cho các thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS trên toàn thế giới, đặc biệt là ô tô điện.

Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion là: 

 - Lithium-Cobalt Oxide

 - Lithium-titanate: Dùng cho ô tô điện, xe đạp, xe tay ga, mô tô

 - Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide

 - Lithium-Mangan Oxit 

 - Lithium-Iron Phosphate

Cấu tạo của pin lithium ion

Cấu tạo pin Lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

Cấu tạo của pin lithium ion bao gồm 3 bộ phận chính

 - Điện cực dương (Cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.

 - Điện cực âm (Anode)

Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.

 - Bộ phân tách

Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.

 - Chất điện phân

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ. 

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin lion là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa ở pin li-on. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:

Nguyên lý hoạt động của pin lithium ion thể hiện qua quy trình sạc, x

 - Quy trình xả:

Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.

 - Quy trình sạc:

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều. 

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

Công nghệ pin lithium ion

Hiện nay pin Lithium ion được ứng dụng nhiều trong sản xuất ô tô điện. VinFast là hãng xe ô tô Việt Nam đầu tiên sử dụng pin Lithium cho xe điện. Nổi bật nhất là mẫu xe VinFast VF e34 ra mắt trên thị trường cuối tháng 3/2021 và chuẩn bị bàn giao vào cuối năm nay.

Xe ô tô điện VinFast VF e34 ứng dụng công nghệ pin lithium ion 

Xe ô tô điện VinFast VF e34 sử dụng pin Lithium-ion an toàn đến từng “tế bào”, ít có khả năng gây cháy nổ hơn xăng, dầu. Đối với những dòng xe xăng, dầu vẫn liên tục diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu trong xilanh của động cơ, tạo ra nguồn cơ năng cho toàn bộ xe. 

Ngược lại, đối với năng lượng của xe điện từ pin, trong quá trình xe hoạt động hoàn toàn không diễn ra quá trình đốt cháy, nhờ vậy có thể loại bỏ được tối đa nguy cơ gây cháy nổ.

Pin Lithium ion trên xe VF e34 được nghiên cứu và phát triển nghiêm ngặt, có khả năng chịu đựng được môi trường khắc nghiệt tốt. Pin Lithium trên VF e34 đạt tiêu chuẩn IP67 với khả năng chống bụi, va đập và chống nước tốt. Pin có khả năng chịu nhiệt trung bình từ -20 độ đến 45 độ.

Hiện nay, VinFast đã ký kết hợp tác với ProLogium để sử dụng các sáng chế của hãng công nghệ này để sản xuất pin thể rắn cho các dòng xe điện tiếp theo VinFast tại Việt Nam. Sử dụng pin thể rắn giúp cho ô tô điện VinFast có thể di chuyển quãng đường xa hơn, ít thời gian sạc và tăng tổng số lần có thể sạc pin cho xe.

Tìm hiểu thêm thông tin về ô tô điện VinFast e34 và thông tin trạm xạc xe điện trên toàn quốc và đặt mua ngay hôm nay để nhận ưu đãi hấp dẫn.