Pin là bộ phận không thể thiếu trên ô tô điện, đó là thiết bị lưu trữ năng lượng và cung cấp năng lượng điện để vận hành động cơ điện, từ đó, xe mới có thể chuyển động về phía trước.
Hiện nay, Pin ô tô vận hành bằng điện là các cell Pin lithium – Ion (LIB), là một loại pin sạc. Về nguyên tắc cơ bản trong quá trình sạc và xả của pin lithium -Ion là quá trình chuyển dịch các hạt điện tích.
Trong quá trình xả, các ion Liti chuyển động từ cực âm sang cực dương bên trong pin và đồng thời mạch bên ngoài, electron sẽ dịch chuyển từ cực âm qua tải sang dương để cân bằng điện tích giữa hai điện cực và ngược lại trong quá trình xả.
Với ưu điểm có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ và ít bị tự xả khi không hoạt động, LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, các thiết bị điện tử cầm tay: điện thoại, laptop,…
Hơn thế nữa, hiện nay ở một số nước phát triển, các yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường đã được nâng cao do đó LIB đang được chú trọng phát triển, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện. Nó được kỳ vọng sẽ thay thế cho ắc quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện.
Xem thêm: Bài liên quan Pin ô tô
Ắc quy Ion Lithium
1. Cấu tạo của Pin cao áp:
Cấu tạo một pin LIB bao gồm điện cực dương (cathode), điện âm (Anode), chất điện phân (Electrolyte) và tấm cách điện (Separator). Các điện cực được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp (layered structure compounds), cho phép các ion Li xâm nhập, không làm phá vỡ cấu trúc của tinh thể và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này trong quá trình sạc và xả.
Vì thế mà phản ứng hoá học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động trong quá trình xả của pin hay là nạp lại năng lượng cho pin trong quá trình sạc của pin.
Cấu tạo pin Ion Lithium
– Điện cực dương (cathode):
Vật liệu dùng làm điện cực Cathode thường từ LiCoO2 hoặc LiMnO4. đối với mỗi loại vật liệu đều có ưu nhược điểm khác nhau:
Coban Co cho phép khuếch tán ion theo 2 chiều. Đây là vật liệu lí tưởng do nhiệt dung riêng Co cao, dung tích lớn, khả năng tự xả thấp, có điện thế xả cao và hiệu suất chu trình tốt. Hạn chế của nó là giá thành khá cao do chứa Coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt.
Mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion khuếch tán theo cả ba chiều. Vật liệu này đang được quan tâm bởi Mangan rẻ và phổ biến hơn Coban, hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn. Hạn chế của nó nằm ở khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin.
Vật liệu cực dương chứa Coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành, và tăng công suất pin. Dưới đây liệt kê các vật liệu cấu thành điện cực dương phổ biến nhất hiện nay
Đặc điểm của các hợp chất chế tạo điện cực dương của pin Lithium
| Hợp chất | Liti Coban Oxide (LCO-LiCoO2) | Liti Mangan Oxit (LMO-LiMn2O4) | Liti Niken Mangan Coban Oxit (NMC-LiNiMnCoO2) | Liti Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA-LiNiCoAlO2) | Liti Titanate (LTO-Li2TiO3) |
| Điện áp danh nghĩa (V) | 3.6 | 3.7 | 3.6V, 3.7V | 3.6 | 2.4 |
| Phạm vi điện áp hoạt động(V/cell) | 3-4.2 | 3-4.2 | 3-4.2 hoặc cao hơn | 3-4.2 | 1.8-2.85 |
| Năng lượng riêng (Wh/kg) | 150-200 | 100-150 | 150-220 | 200-260 | 50-80 |
| Ưu điểm | dung lượng riêng cao | công suất riêng cao, an toàn hơn LCO, giá rẻ bền | năng lượng riêng cao và năng suất riêng cao | Năng lượng riêng cao, công suất riêng trung bình, vòng đời dài | Tuổi thọ cao, sạc nhanh, hiệu suất nhiệt độ thấp, an toàn nhất trong các loại pin Li-ion |
| Nhược điểm | giá thành cao, công suất riêng giới hạn, tuổi thọ tương đối thấp, độ ổn định nhiệt thấp | tuổi thọ thấp, năng lượng riêng thấp | Giá thành ở mức trung bình, an toàn ở mức trung bình | năng lượng riêng thấp, giá thành cao | |
| Ứng dụng | Đa dạng | Dụng cụ điện, thiết bị y tế, hệ thống truyền lực điện, LMO pha trộn với lthi niken mangan coban oxit (NMC) ứng dụng trên xe điện: Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3,… | dụng cụ điện, e-bikes và hệ thống truyền lực điện,… | Xe điện Tesla | UPS, hệ thống truyền lực trên xe điện(Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV), xe bus điện, đèn đường chạy bằng năng lượng mặt trời,… |
| Công ty | Sonyfirst commercial production | LG Chem, NEC, Samsung, Hitachi, Nissan/AESC, enerDel | Imara Corporation, Nissan Motor, Microvast Inc., LG chem | Panasonic, Saft Groupe S.A. | Altairnano, Grinergy, Microvast, Samsung |
| Năm | 1991 | 1996 | 2008 | 1999 | 2008 |
– Điện cực âm (anode):
Vật liệu làm Anode thường dùng là Graphite và các vật liệu Carbon khác. Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra 10%.
Silicon cũng được dùng như vật liệu làm Anode bởi nó cũng có thể chứa ion, thậm chí nhiều hơn Cacbon, tuy nhiên khi “chứa” ion, Silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin.
Đặc điểm của các hợp chất chế tạo điện cực âm của pin Lithium
| Hợp chất | Công ty | Năm | Dung lượng | Ứng dụng | Ưu điểm |
| Graphite | 1991 | 372 mAh/g | Là vật liệu chính cho cực Anode trong hầu hết các LIB. | Giá rẻ. Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước hình dạng của từng lớp graphene. | |
| Lithi Titanate (LTO- Li4Ti5O12) | Toshiba, Altairnano | 2008 | 175 mAh/g | Ô tô (Phoenix Motorcars), điện lưới dự trữ (PJM Interconnection Regional Transmission Organization control area, United States Department of Defense), bus (Proterra), … | Dòng điện, thời gian sạc, độ bền (an toàn, bền nhiệt, có thể chạy trong khoảng −50–70 °C (−58–158 °F)) |
| Hard Carbon | EnerG2 | 2013 | 540 mAh/g | Dụng cụ điện gia đình. | Dung lượng lớn. |
| Hợp kim thiếc coban (CoSnx) | Sony | 2005 | lên đến 992 mAh/g | Dụng cụ điện (Sony Nexelion battery). | Dung lượng lớn hơn pin graphite (3.5Ah 18650-type battery). |
| Silicon/Carbon | Amprius | 2013 | Volumetric: 580 W·h/l | Smartphones công suất 5000mAh | Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon <10% khối lượng. |
Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi chất cách điện tốt (độ dẫn electron <= 10-8 S/cm) có độ dẫn ion tốt (mức 10-2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC), là môi trường truyền dẫn ion giữa các điện cực trong quá trình nạp và xả pin.
Nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cảu pin LIB là trong quá trình nạp/xả, khi ion di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, ở mạch ngoài sẽ xuất hiện dòng electron truyền từ cực dương/âm sang âm/dương (luôn cùng chiều với ion), từ đó sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều electron, cấp điện cho các thiết bị hay là sạc lại cho pin.
Dung dịch điện ly lỏng dùng trong LIB chứa muối lithi như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat.
Tấm cách điện là một màng thấm được đặt giữa Cathode và Anode với chức năng chính là ngăn cho hai điện cực này cách xa nhau, ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch và đồng thời cho phép vận chuyển Ion.
Nguyên lí hoạt động của Pin Ion Lithium
2. Nguyên lí hoạt động của pin cao áp:
Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin LIB là nguyên liệu điện cực Cathode và Anode, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion dịch chuyển giữa hai điện cực này. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin hoạt động.
Nguyên lí hoạt động của Pin
Khi xả, ion (mang điện dương) di chuyển từ cực Anode qua dung dịch điện ly, sang cực Cathode, tại đây vật liệu cực Cathode sẽ phản ứng với ion.
Để cân bằng điện tích giữa hai cực, cứ mỗi ion dịch chuyển từ Anode sang Cathode trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, một electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực âm sang cực dương (vì hạt mang điện lúc này là các electron mang điện tích âm).
Khi nạp diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp nạp, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion tách khỏi cực Cathode di chuyển trở về điện cực Anode của pin (nay đã đóng vai trò cực dương). Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình nạp và xả.
Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi. Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả.
– Phản ứng tại cực Cathode trong vật liệu dạng LCO được viết như sau (chiều thuận là nạp, chiều nghịch là xả):
– Phản ứng tại cực Anode trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là nạp, chiều nghịch là xả)
– Phản ứng của cả pin
Như vậy khi nạp, C60 (Anode) bị khử thành C6-1, Co3+ bị oxy hóa thành Co4+ và ngược lại khi xả.
Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion) một lithi coban oxide đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxide, theo phản ứng một chiều sau
– Nếu sạc quá điện thế, pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxide, theo phản ứng một chiều sau
Pin cao áp trên xe ô tô điện đóng vai trò quan trọng và không thể phủ nhận trong việc định hình tương lai của ngành công nghiệp ô tô. Sự phát triển và tiên tiến của công nghệ pin đã mở ra những cánh cửa mới cho việc xây dựng những chiếc xe ô tô sạch hơn, bền vững hơn và hiệu quả hơn về mặt năng lượng.
Pin cao áp không chỉ cung cấp nguồn năng lượng cho xe ô tô điện mà còn là trung tâm của sự tiện nghi và hiệu suất của chúng. Khả năng lưu trữ và phát lại năng lượng một cách hiệu quả giúp kéo dài thời gian hoạt động của xe và tăng cường khả năng di chuyển xa hơn mà không cần sạc lại thường xuyên.
Ngoài ra, việc sử dụng pin cao áp cũng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm lượng khí thải ra môi trường, góp phần tích cực vào nỗ lực chung của thế giới trong việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
