Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo thực tập: Tổng quan về pin Lithium ion
NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họcLời cảm ơnBản khóa luận đã được hoàn thành sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu.Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý, các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản khóa luận này. Và đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th. s Lê Đình Trọng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản khóa luận tốt nghiệp này.Hà Nội, tháng 5 năm 2008. 1 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họcMục lụcNội dung TrangMở đầuNội dungChương 1: Tổng quanChương 2: pin dẫn ion Lithium2.1: cấu tạo2.2: các vật liệu chế tạo pin Li-ion2.3: các quá trình cơ bản xảy ra trong pin Li-ionChương 3: đặc trưng hoạt động của pin Li-ionChương 4: pin Li-ion polymer và pin Li-ion trạng thái rắn4.1: pin Li-ion polymer4.2: pin Li-ion rắnKết luận MỞ ĐẦU2 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại học1. Lí do chọn đề tàiViệc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại và trong tuơng lai của con người. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường. Có nhiều biện pháp được đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy.Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại di động …) Để đảm bảo các thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt gọn nhẹ, an toàn.Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêu cầu trên. Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp. Nửa đầu những năm 90 của thế kỉ trước, trên thị trường bắt đầu xuất hiện pin NiMH ( Nikel Metal Hydride ) do NiCd gây ô nhiễm môi trường. Và từ năm 2000 pin NiMH được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ). Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6% ÷ 8%.Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trình khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đi vào: “tìm hiểu tổng quan về pin Lithium ion “ 2. Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu3 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại học - Hiểu rõ hơn quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên các điện cực. - Đưa ra được cái nhìn tổng quan về pin Li-ion.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứuKhóa luận nghiên cứu tổng quan về Pin Li-ion bao gồm: - Cấu tạo của pin. - Quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên mỗi điện cực.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Có những hiểu biết cơ bản về loại pin này và những triển vọng phát triển cửa nó trong tương lai. NỘI DUNG4 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họcChương 1- TỔNG QUANPin Lithium ion là một loại pin thứ cấp. Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sử dụng hợp chất của Lithium như vật liệu làm điện cực âm và dương. Trong một chu trình, ion Li+ được trao đổi giữa các điện cực âm và dương.Vật liệu làm điện cực dương là oxit kim loại điển hình với cấu trúc dạng lớp, như Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như Lithium Manganese Oxide ( LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm. Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực góp điện. Trong quá trình nạp/phóng điện, những ion Li+ được điền vào hoặc tách ra từ khe hở giữa những lớp nguyên tử phía trong những vật liệu hoạt động. Những loại pin đầu trên được thương phẩm hóa và đa số thuộc những dòng khả dụng, dùng LiCoO2, như vật liệu làm điện cực dương. LiCoO2 cho tính năng điện tốt, dễ chế tạo, tính an toàn cao và tương đối không nhạy cảm với những quá trình biến đổi và độ ẩm. Gần đây nhữnh vật liệu có giá thành thấp hơn, hoặc hiệu suất cao hơn, như LiMn2O4 hoặc LiNi1-xCoxO2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tính năng được cải tiến. Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩm đầu tiên. Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp đã dùng glaphite làm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động và tốc độ nạp được cải tiến. Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầu những năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm. Lợi nhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000. Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, 5 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họctrong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến 2005. Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năng cao, công nghệ an toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm.(Hình 35.1 trang 35.2)Hình 1: Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin Lihium ion.Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên một mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau. Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah). Hiện nay pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dò mìn . và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2% ÷ 8% mỗi tháng) và có dải nhiệt độ hoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -200C ÷600C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -400C ÷650C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của pin Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin. Pin Li-ion có thể cho khả năng tốc độ cao. Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc tốc độ xung là 25C.Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định. Những ưu, nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng dưới đây:Bảng 1: Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.6 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họcƯu điểm Nhược điểm-Kín, không cần bảo trì.-Chu kỳ sống dài.-Dải nhiệt độ hoạt động rộng. -Thời gian hoạt động dài. -Tốc độ tự phóng chậm. -Khả năng nạp nhanh. -Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao.-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.-Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao.-Không có hiệu ứng nhớ.-Giá trung bình ban đầu.-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao.-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện.-Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bị quá tải.-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép.-Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.Hiện nay các công trình nghiên cứu về Pin Li-ion vẫn tiếp tục được tiến hành và trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp.7 NGUYN MINH NGUYT k30b lý Khoỏ lun tt nghip i hcChng 2 - PIN DN ION LITIUM2.1. Cu toCu to ca mt pin Li-ion bao gm mt in cc dng v mt in cc õm c ngn cỏch bi mt mng ngn xp polyethylene hoc polypropylene dy t 16àm n 25àm. in cc dng gm mt vt liu hot ng ph lờn mt lỏ ng dy t 10àm n 25àm, vi dy c trng tng cng khong 180àm. in cc õm bao gm vt liu carbonaceous hot ng ph lờn mt lỏ ng dy t 10àm n 20àm, vi dy tng cng khong 200àm. Mng ngn xp v lp ph ũi hi mng vỡ h s dn trong cht in phõn khụ thp, khong 10ms/cm, v s khuch tỏn ion Li+ trong vt liu in cc dng v õm chm, khong 10-10m2s-1. V c dựng nh mt terminal õm thỡ in hỡnh l thộp trỏng Nikel; khi c s dng nh terminal dng, v in hỡnh l nhụm.Hu ht nhng pin c thng phm hoỏ s dng phn u hp nht nhng phn ri rc, c hot hoỏ bi ỏp sut hoc nhit , nh thit b PTC, v cú mt l thụng an ton.(Hỡnh 35.32 - trang 35.33)Hỡnh 2: Cu to chi tit phn u ca pin vi b ngt v c cu l an ton cho nhng s nõng cao bt thng ca ỏp lc bờn trong.2.1.1. Pin Li-ion dng trMt ct ngang ca mt pin Li-ion dng tr c mụ t trong hỡnh sau:(Hỡnh 35.30- trang 35.32)Hỡnh 3: Mt ct ngang mt pin Li-ion tr. ng dng trong nhng lnh vc c bit hoỏ, chuyờn mụn hoỏ, nh trong v tinh, nhng pin ng ln c phỏt trin. Nhng pin "25Ah" c 8 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại họcphát triển bởi Blue Star Advanced Technology, được miêu tả trong hình sau:(Hình 35.34 - trang 35.33)Hình 4: Những pin Li-ion trụ "25Ah".Những sản phẩm này dùng LiCoO2 làm cực dương và graphite làm cực âm. Khối lượng của những bộ phận cấu thành chính của một pin (29Ah) được mô tả trong bảng sau:Bảng 2: Bảng phân tích khối lượng của Pin 29Ah.trụ Bộ phận cấu thành Khối lượng (g)Tỉ lệ trong tổngkhối lượng pin (%)Vỏ 108,5 12,2Nắp 15,5 1,8Chất điện li 217,9 24,5Điện cực dương 339,2 38,1Điện cực âm 165,0 18,5Tạp chất 43,4 4,9Tổng thể 889,5 1002.1.2. Pin Li-ion lăng trụ phẳngCấu 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.(Hình 35.31- trang 35.32)Hình 5: Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ.Vỏ của pin sử dụng thép tráng Nikel hoặc thép không gỉ 304L. Vỏ được phủ kín bằng một trong hai cách điển hình: TIG hoặc hàn bằng máy laser.Hình 35.35 - trang 35.34Hình 6: Phần đầu và các điện cực của pin Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà).2.2. Các vật liệu chế tạo pin Li-ion9 NGUYỄN MINH NGUYỆT k30–b lý Khoá luận tốt nghiệp đại học2.2.1. Các vật liệu điện cực dươngCác 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 có dung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2.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.- Giá thành rẻ.2.2.1.1. Đặc trưng của các vật liệu làm điện cực dươngTính đa dạng của các vật liệu làm điện cực dương ngày càng được phát triển và nhiều loại trong chúng khả dụng với thị trường.Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương nói chung được thống kê trong bảng sau:Bảng 3: Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.Loại vật liệuDung lượng riêng(mAh/g)Thế trungbình (v)Ưu - Nhược điểm10 [...]... hiệu suất được cải tiến Pin Li -ion đang được phát triển nhanh chóng và thương phẩm hoá rộng rãi; dự đoán trong tương lai, phạm vi ứng dụng của pin Li -ion sẽ ngày càng rộng rãi Chương 4- PIN LI -ION POLYMER VÀ PIN LI -ION TRẠNG THÁI RẮN 4.1 .Pin Li – ion polymer 24 Khoá luận tốt nghiệp đại học NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý Pin Li - ion polymer có những đặc tính vận hành của pin Li -ion, bao gồm năng lượng... của pin này khá cao (Hình 35.111 - trang 35.88) Hình 15: Dung lượng riêng khi chu kỳ của một Pin SiTON/LiCoO2 ở vào giữa 3,93V và 2,7V hoặc 4,1V và 2,7V, ở mật độ dòng 0,08mA/cm2 ở 250C KẾT LUẬN Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại pin, và pin Li -ion có nhiều đặc tính tốt hơn cả so với các loại pin cùng chủng loại như pin NiCd, NiMH (pin Li -ion vượt qua pin NiMH về mật độ tích trữ năng lượng) Pin. .. thông di động đặc biệt và những thiết bị đòi hỏi sự mỏng, pin nạp lại có vùng phủ sóng rộng Trong đó pin Li -ion Polymer được sử dụng tương tự như pin Li -ion dạng trụ hoặc lăng trụ; trong pin Li -ion polymer, sự nối các điện cực cho phép tạo thành những pin được nén mỏng phía trong một màng chắn, điều này trái ngược với những công nghệ pin Li -ion khác có vỏ bằng thép hoặc nhôm Cấu trúc này được mô tả... bản xảy ra trong pin Li -ion 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Li -ion Nguyên tắc hoạt động của pin Li -ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặc bằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin Li -ion, các cực này... một dung môi khả biến tương tự Pin Li -ion polymer mỏng, độ dày của pin từ 1,2mm tới 8,4mm được khả dụng, mặc dù 3,5mm tới 4,0mm là độ dày điển hình của pin; dải dung lượng khả dụng từ 0,5Ah tới 8Ah Những pin này có năng lượng riêng và mật độ năng lượng có thể so sánh được với pin Li -ion dạng trụ, lăng trụ, 25 Khoá luận tốt nghiệp đại học NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý pin C/LiCoO2 có mật độ năng lượng... năng lượng riêng từ 270 ÷ 400Wh/L, trong khi với pin C/LiMn 2O4 là 130 ÷ 144Wh/kg và 235 ÷ 300Wh/h Trong quá trình nạp điện, pin Li -ion polymer có thể nạp liên tục cho tới khi điện thế của pin đạt điện áp tối đa là 4,2V Trong quá trình phóng điện, ở tốc độ thấp (1C) pin Li -ion có điện thế trung bình 3,8V; ở tốc độ 2C, 3,55V; ở tốc độ 3C, 2,45V Pin Li -ion polymer có nhiều thuộc tính mà thị trường thèm... cùng quan trọng trong việc tìm hiểu rõ hơn về sự tạo thành lớp chuyển tiếp và khống chế các tính chất của nó, đồng thời nâng cao phẩm chất của pin 22 Khoá luận tốt nghiệp đại học NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý Chương 3: HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LI -ION Những đặc trưng hoạt động của pin Li -ion được phác thảo trong bảng sau: Bảng 7: Những đặc trưng hoạt động của pin Li -ion Đặc trưng Điện áp làm việc Mật độ năng... lượng) Pin Li -ion được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực, và làm cơ sở cho việc phát triển pin sinh học 27 Khoá luận tốt nghiệp đại học NGUYỄN MINH NGUYỆT – k30b lý Nhưng nhược điểm của pin Li -ion là không ổn định, do đó gây ra một số sự cố đối với điện thoại di động và máy tính xách tay Do đó, những công trình khoa học nghiên cứu về pin vẫn tiếp tục được tiến hành và những vật liệu pin Li -ion là vấn... trong chất điện phân cho pin Li ion Bảng 5: Muối dùng trong chất điện li cho pin Li -ion Khối lượng Công thức Tên phân hoá học tử Các tạp chất Nhận xét (g/mol) • hexafluorophosphate • Li PF6 151,9 Thường được (15ppm) sử dụng HF (100ppm) H2O Hút ẩm kém Lithium tetrafluoroborate • H2O Lithium Li BF4 93,74 (15ppm) hơn LiPF6 HF perchlorate 17 các muối HF 106,39 Kém bền hơn (15ppm) Lithium Li ClO4 (75ppm)... thiện hơn nữa những tính năng của pin như năng lượng riêng, mật độ năng lượng, khả năng tốc độ và độ bền lâu Tôi hi vọng đề tài này sẽ giúp bạn đọc hiểu thêm về pin Li -ion về cấu tạo, các quá trình hoá học xảy ra trong pin cũng như đặc trưng của pin Liion Đồng thời tôi mong nhận được sự góp ý, phê bình của quý thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Minh . được cái nhìn tổng quan về pin Li -ion. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứuKhóa luận nghiên cứu tổng quan về Pin Li -ion bao gồm: - Cấu tạo của pin. - Quá trình. đặc trưng hoạt động của pin Li-ionChương 4: pin Li -ion polymer và pin Li -ion trạng thái rắn4.1: pin Li -ion polymer4.2: pin Li -ion rắnKết luận