Các thành phần chính của pin Lithium-Ion
(1) Cathode (Điện cực dương)– Các vật liệu hoạt động chủ yếu bao gồm oxit lithium coban, lithium manganate, lithium sắt photphat, oxit lithium niken, vật liệu ternary niken-coban-mangan, v.v. Lá nhôm có độ dày 10–20 micromet thường được sử dụng làm bộ thu dòng dẫn điện.
(2) Dấu phân cách– Một màng nhựa đặc biệt cho phép các ion lithium đi qua đồng thời cách điện các electron. Hiện nay, nó chủ yếu được làm bằng PE, PP hoặc vật liệu tổng hợp của chúng. Ngoài ra còn có máy tách chất rắn vô cơ; ví dụ, thiết bị phân tách được phủ alumina là một loại thiết bị phân tách rắn vô cơ.
(3) Anode (Điện cực âm)– Các vật liệu hoạt động chủ yếu bao gồm than chì, lithium titanate hoặc vật liệu cacbon có cấu trúc giống than chì. Lá đồng có độ dày 7–15 micromet thường được sử dụng làm bộ thu dòng dẫn điện.
(4) chất điện giải– Nói chung là một hệ hữu cơ, chẳng hạn như dung môi gốc cacbonat hòa tan với lithium hexafluorophosphate. Một số pin polymer sử dụng chất điện phân dạng gel.
(5) Vỏ pin– Được chia chủ yếu thành hộp cứng (vỏ thép, vỏ nhôm, vỏ sắt mạ niken, v.v.) và hộp đựng mềm (màng nhôm-nhựa).
Trong quá trình sạc, các ion lithium khử xen kẽ từ cực âm và xen kẽ vào cực dương; điều ngược lại xảy ra trong quá trình xả. Một điện cực cần phải ở trạng thái xen kẽ lithium trước khi lắp ráp. Các oxit kim loại chuyển tiếp xen kẽ lithium có điện thế cao hơn 3 V so với lithium và ổn định trong không khí thường được chọn làm vật liệu catốt, chẳng hạn như LiCoO₂, LiNiO₂ và LiMn₂O₄.
Vật liệu cực dương là các hợp chất có thể xen kẽ lithium với điện thế càng gần với lithium càng tốt, bao gồm các vật liệu cacbon khác nhau (than chì tự nhiên, than chì tổng hợp, sợi cacbon, vi hạt mesocarbon, v.v.) và các oxit kim loại như SnO, SnO₂ và các oxit hỗn hợp thiếc SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Chất điện phân sử dụng hệ dung môi hỗn hợp gồm alkyl cacbonat như ethylene cacbonat (EC), propylen cacbonat (PC) và diethyl cacbonat (DEC) có độ nhớt thấp hòa tan bằng LiPF₆.
Các chất phân tách là các màng vi xốp polyolefin làm từ PE, PP hoặc vật liệu tổng hợp của chúng. Đặc biệt, dải phân cách ba lớp PP/PE/PP có điểm nóng chảy thấp và khả năng chống đâm thủng cao, đóng vai trò là cầu chì an toàn nhiệt.
Vỏ được làm bằng thép hoặc nhôm và cụm vỏ được trang bị chức năng chống cháy nổ và cắt điện.
Nguyên tắc làm việc cơ bản
Khi pin được sạc, các ion lithium được tách ra khỏi hợp chất chứa lithium ở cực âm và di chuyển qua chất điện phân đến cực dương. Vật liệu carbon của cực dương có cấu trúc phân lớp với nhiều lỗ nhỏ, trong đó các ion lithium được nhúng vào. Nhiều ion lithium được nhúng hơn có nghĩa là khả năng sạc cao hơn.
Trong quá trình phóng điện (khi sử dụng pin), các ion lithium gắn trong các lớp carbon của cực dương sẽ được tách ra và di chuyển trở lại cực âm. Nhiều ion lithium quay trở lại cực âm hơn tương ứng với khả năng phóng điện cao hơn. Dung lượng pin mà chúng ta thường nhắc đến chính là dung lượng xả.
Trong chu kỳ sạc-xả của pin lithium-ion, các ion lithium chuyển động qua lại giữa cực âm và cực dương. Điều này tương tự như một chiếc ghế bập bênh: hai đầu ghế tượng trưng cho hai điện cực và các ion lithium chuyển động liên tục giữa chúng. Do đó, pin lithium-ion còn được gọi là pin ghế bập bênh.
Cơ chế phóng điện
Quá trình sạc pin lithium-ion bao gồm hai giai đoạn: sạc dòng điện không đổi và sạc điện áp không đổi với dòng điện giảm dần.
Sạc quá mức và xả quá mức sẽ gây hư hỏng vĩnh viễn cho cực âm và cực dương. Việc phóng điện quá mức dẫn đến sự sụp đổ cấu trúc phân lớp của cacbon anode, ngăn cản các ion lithium xen kẽ trong quá trình sạc tiếp theo. Việc sạc quá mức sẽ đưa các ion lithium dư thừa vào cấu trúc cacbon cực dương, khiến một số ion lithium vĩnh viễn không thể chiết xuất được.
Kiểu sạc-xả tối ưu để duy trì hiệu suất của pin lithium-ion là sạc nông và xả cạn. Nói chung, tuổi thọ của chu trình dưới 60% độ sâu xả (DOD) gấp 2-4 lần so với dưới 100% DOD.
