Đang tải... (xem toàn văn)
Các công nghệ pin lưu trữ đang được sử dụng: đặc điểm, thông số kỹ thuật của từng loại pin, ưu nhược điểm của chúng và ứng dụng của từng loại pin, so sánh các loại pin. Pin lithiumion, pin niken, pin dòng chảy, pin lithium thể rắn,...
MỤC LỤC 1.4 Các công nghệ pin lưu trữ 1.1.1 Pin lithium-ion (LIB) Vấn đề cháy nổ pin lithium-ion Hệ thống làm mát pin lithium Tái chế pin lithium-ion 12 1.1.2 Pin axit chì 15 1.1.3 Pin Nickel 16 1.1.4 Pin Natri nhiệt độ cao 18 1.1.5 Pin dòng chảy 19 1.1.6 So sánh VRB với lithium .22 So sánh công nghệ pin lưu trữ 24 1.4 Các công nghệ pin lưu trữ 1.1.1 Pin lithium-ion (LIB) - Cưc âm thường carbon graphite (than chì) - Chất điện phân có chức dẫn ion Li+ thường chứa muối lithi như: LiBF4, - LiPF6, LiClO4 dung môi hữu etylen cacbonat, dimethyl cacbonat Màng ngăn cách làm nhựa PE PP, dùng ngăn cách cực cho - ion Li+ qua Với pin LCO pin sạc, LiCoO2 "nhả" ion Li+ đồng thời electron di chuyển từ cực dương qua dung dịch điện ly tới cực âm theo bán phản ứng sau: LiCoO2 ⇌ CoO2 + Li+ + e- - Khi pin xả, lúc lượng dự trữ pin sử dụng, ion Li+ electron di chuyển từ anod sang catod theo bán phản ứng sau: C6 + Li+ + e- ⇌ LiC6 Hình Nguyên lý làm việc pin lithium-ion • Lithium cobalt oxide (LiCoO2/LCO): Tuổi thọ tương đối ngắn, ổn định nhiệt thấp, khả tải hạn chế • Lithium manganese oxide (LiMn2O4): Độ ổn định nhiệt cao, điện trở thấp, chu kỳ tuổi thọ hạn chế • Lithium iron phosphate (LiFePO4/LFP): dịng điện cao, vòng đời dài, ổn định nhiệt tốt, hiệu suất điện hóa tốt • Lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNiMnCoO2/NMC): chu kỳ cao, khả sạc xả nhanh, đặc tính phóng điện nhiệt độ thấp lý tưởng Hình So sánh loại pin lithium-ion Hình Ưu nhược điểm pin lithium Vấn đề cháy nổ pin lithium-ion Pin Li-ion có chất điện phân thường hỗn hợp hợp chất Cacbonat hữu Ethylene Cacbonat Di-etyl Cacbonat Các nguy cháy pin Li-ion thường liên quan đến : + Mật độ lượng cao + Chất điện phân hữu dễ cháy nổ pin bị va đập, biến dạng Các nghiên cứu hư hỏng vật lý, cố điện đoản mạch sạc q mức mơi trường nhiệt độ cao gây tượng nóng lên giải phóng nhiệt Nó khiến bốc chất điện phân hữu sinh áp suất cho lớp vỏ cell pin Trong q trình phản ứng sinh khói (sự pin chưa tạo lửa), chất sinh phản ứng bao gồm Carbon Dioxide (CO2), Carbon monoxide (CO), Hydro (H2) Hydrocacbon (CxHx) Các khí dễ cháy có nguy gây nổ Ngồi pin Lithium-ion cháy nổ cịn giải phóng khí hydro florua độc hại Sẽ cân nhắc quan trọng đặt hệ thống pin lithium gần tòa nhà, bên nhà xe hay trung tâm khu vực đơng dân Với pin lithium-ion q trình sạc xả thực tế liti không di chuyển đồng mà có xu hướng nhóm lại với nhau, có khả tạo thành gai (dendrite liti) sạc mức dễ làm đâm thủng xuống cấp dần lớp màng phân cách dễ gây tượng đoản mạch Các dendrite liti phản ứng với chất điện phân khiến bị phân hủy, gây tượng lithium hoạt động bên pin Điều làm suy giảm công suất, dung lượng pin Hình Sợi nhánh kim loại liti từ cực dương xuyên qua dải phân cách phát triển phía cực âm - Khắc phục: Sử dụng pin lithium có chất điện phân chất rắn Pin thể rắn hệ pin lithium-ion Nó có cực dương tương tự pin lithium-ion thường LFP, NMC, LMO,… Cực âm thay sử dụng than chì pin Li-ion dùng kim loại Lithium tinh khiết (dung lượng riêng cao 3860mAh.g-1) Điểm khác biệt chất điện phân dùng chất rắn, vừa có tác dụng dẫn ion, vừa có tác dụng ngăn cách cực màng phân cách pin Li-ion Pin thể rắn với chất điện phân rắn cho thấy độ ổn định cải thiện với cấu trúc vững tăng độ an tồn trì hình dạng chất điện phân bị hỏng. Pin thể rắn có mật độ lượng cao pin Li-ion sử dụng dung dịch điện phân lỏng. Nó khơng có nguy nổ cháy, khơng cần phải có phận để đảm bảo an tồn, tiết kiệm nhiều khơng gian hơn. Từ có nhiều khơng gian để đặt vật liệu tích giúp tăng dung lượng pin pin (Samsung SDI) Hình Cấu trúc pin lithium-ion pin chất điện phân rắn Chất điện phân thường làm vật liệu dựa sunfua, oxit, gốm polyme Tất chúng có khuyết điểm số chất rắn khơng ổn định có khơng khí, chất khác giịn bị nứt cơng ty cho biết họ có sửa lỗi Chất điện phân Polyme Oxit Ưu điểm Nhược điểm Ổn định nhiệt vừa phải, ổn Độ dẫn điện kém, độ ổn định định độ ẩm tốt, phù hợp sản kim loại lithium xuất hàng loạt Độ dẫn điện tốt, ổn định nhiệt Ổn định độ ẩm trung bình tuyệt vời Gốm sứ Ổn định nhiệt, độ ẩm tuyệt vời Độ dẫn điện kém, không phù hợp sản xuất hàng loạt Sunfua Độ dẫn điện tuyệt vời, phù Độ ổn định độ ẩm hợp sản xuất hàng loạt Hỗn hợp Độ dẫn điện tuyệt vời, ổn định Ổn định độ ẩm nhiệt tốt, phù hợp sản xuất hàng loạt Bảng 1: Ưu nhược điểm chất điện phân rắn khác nhau( Theo IDTechEx, C&EN research) Ví dụ pin Lithium polymer hoạt động tương tự pin lithium ion thay chất điện phân lỏng chất điện phân polymer rắn, xốp gel (PVDF, ) Điều giúp phát sinh vấn đề cháy nổ nóng bị tác động vật lý, nhẹ pin lithium-ion nhiên có nhược điểm: Lưu trữ lượng giá cao Phù hợp với ứng dụng máy bay không người lái, thiết bị điện tử cá nhân,… Việc lựa chọn chất điện phân quan tâm đến chi phí, mơi trường, dễ xử lý, ổn định nhiệt, ổn định học, ổn định hóa học, độ dẫn ion,… Phịng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ cấp phép độc quyền cho Safire để sản xuất chất phụ gia bổ sung cho pin li-ion giúp ngăn nổ cháy va chạm Khi có va chạm chất điện phân đơng đặc lại ngăn tiếp xúc điện cực Qing Tao Energy Trung Quốc phát triển loại pin dựa Li7La3Zr2O12 (LLZO) Garnet với mật độ lượng 430 Wh/kg Đây loại pin cho hứa hẹn cho pin lithium hệ thu hút nhiều ý - Chi phí: Theo báo cáo Global Automotive Solid-State battery market 2019, giai đoạn đầu phát triển, công nghệ thể rắn ước tính có chi phí cao dao động khoảng ~$800/kWh đến ~$400kWh vào năm 2026 Ở mức này, công nghệ thể rắn dự kiến áp dụng loại xe cao cấp, siêu xe xe sang trọng Trong lithium-ion dự kiến đạt mức chi phí thấp 100$/kWh trước năm 2030 - Thách thức pin thể rắn: Pin thể rắn cho khắc phục hầu hết nhược điểm pin li-ion, có mật độ lượng gấp đến 2,5 lần pin li-ion, an toàn li-ion khó bắt cháy, trọng lượng kích thước nhẹ li-ion, có khả sạc nhanh chịu nhiệt độ, điện áp cao Tuy nhiên loại pin nhiều thách thức: + Chi phí: Do cơng nghệ cộng với việc sản xuất cho khó mở rộng quy mơ nên tốn nhiều chi phí, hầu hết cơng nghệ pin thể rắn sản xuất quy mơ thí điểm, nghiên cứu + Chất điện phân rắn: Một số chất điện phân rắn có độ dẫn ion thấp nhiệt độ phòng (hạn chế sử dụng thực tế), chất điện phân rắn cần phải thêm thành phần đặc biệt dẫn ion dễ dàng chất điện phân lỏng, việc ln trì tiếp xúc chất điện phân rắn điện cực thách thức điện cực thay đổi kích thước trình sạc xả việc trì tiếp xúc chất rắn khó chất rắn lỏng Ngồi chất rắn nên giịn dễ nứt vỡ bị chịu va chạm + Sợi nhánh Lithium (dendrite liti): Các khuyết tật bề mặt, khuyết tật khối, chất điện phân rắn liti garnet nguyên nhân tạo mầm kim loại liti phát triển dendrite gây tượng đoản mạch - Ứng dụng: Pin điện phân rắn sử dụng thử nghiệm số mẫu xe điện, thiết bị đeo tay, thiết bị trạm vũ trụ, máy bay khơng người lái đặc tính mật độ lượng cao, nhẹ, trì hiệu suất cao môi trường khắc nghiệt,… Hệ thống làm mát pin lithium Hình Hệ thống làm mát pin chất lỏng Các phương pháp làm như: làm mát khơng khí, làm mát chất lỏng, làm mát vật liệu thay đổi pha,… - Làm mát không khí áp dụng rộng rãi thiết kế quản lý nhiệt pin ban đầu chi phí thấp, cấu trúc đơn giản bảo trì thuận tiện, chủ yếu làm mát khơng khí tự nhiên làm mát khơng khí cưỡng Do hiệu làm mát làm mát khơng khí cưỡng tốt đáng kể so với làm mát khơng khí tự nhiên nên phổ biến hệ thống lưu trữ Làm mát khơng khí cưỡng làm giảm đáng kể toàn nhiệt độ không đồng phân bố nhiệt độ mô-đun pin, điều bị ảnh hưởng nhiều yếu tố cách bố trí mơ-đun pin, chiều dài đường diện tích luồng khơng khí, tốc độ dịng chảy nhiệt độ khơng khí làm mát - Làm mát chất lỏng: Hệ thống làm mát chất lỏng dạng ống cung cấp khả quản lý nhiệt pin tốt chúng dẫn nhiệt khỏi pin tốt so với hệ thống làm mát khơng khí + Trực tiếp: Pin ngâm trực tiếp chất lỏng làm mát khơng dẫn điện, ko rị rỉ có điểm sơi cao vào bên pin ví dụ MIVOLT (độ nhớt thấp, dễ dàng phân hủy sinh học, điểm đông đặc cực thấp -75°C, không bay hơi, không chứa halogen, khơng độc hại) Hình Pin XING có 4.200 tế bào lithium-ion riêng lẻ bọc gói mơđun làm mát chất lỏng XING Mobility thực cách tiếp cận khác cách nhúng tế bào vào chất lỏng khơng dẫn điện có điểm sơi cao Chất làm mát 3M Novec 7200 Engineered Fluid, chất lỏng không dẫn điện thiết kế cho ứng dụng truyền nhiệt, dập lửa làm mát siêu máy tính Hình Pin ngâm trực tiếp chất lỏng làm mát ô tơ Hình 10 Pin Tesla làm mát chất lỏng chảy ống chạy xung quanh cell pin Hình 11 Bộ pin Chevy Bolt EV làm mát chất lỏng thông qua đế bên ô Hình 12 Hệ thống dẫn chất lỏng làm mát vào modul pin Tái chế pin lithium-ion Hình 13 Tái chế pin xe điện - Khó khăn: Sử dụng lithium khai thác rẻ so với việc tái chế Q trình tái chế pin lithium ion nguy hiểm chúng khơng tái chế cách thành phần chúng dễ cháy Hình 14 Biểu đồ cột thể lượng pin lithium tái chế theo địa lý loại pin tái chế Pin tái chế phương pháp nhiệt luyện, kỹ thuật phổ biến thủy luyện để lấy kim loại mong muốn Hoặc sử dụng lại pin EV chúng khả cung cấp lượng cho ô tô chúng sử dụng cho nhu cầu lưu trữ lượng khắc nghiệt trạm sạc, tịa nhà dân cư,… Hình 15 Các phương pháp tái chế pin lithium A Quá trình thủy luyện Tháo bỏ vỏ pin, điện cực, màng phân cách xử lý riêng Điện cực dương (LiCoO2, ) qua tiền xử lý loại bỏ chất kết dính Al/PVDF, sau cho vào dung dịch axit lọc khử thu kết tủa dung dịch ion kim loại Li, Co, Niken, Mn B Quá trình luyện kim Làm nóng sơ cell pin với nhiệt độ 700 độ C để loại bỏ hoàn toàn nhựa Khử luyện để thu Cu/Co/Ni/Fe Xỉ qua trình thủy luyện thu Li2CO3 C Tái chế vật lý trực tiếp Các cell pin tháo rời xử lý CO2 siêu tới hạn Các chất điện phân chiết xuất tách CO2 cách giảm nhiệt độ áp suất Các cell pin sau tách vật lý, phá vỡ, thiêu kết để thu điện cực Hình 16 Hệ thống pin Nissan tái sử dụng cung cấp điện cho sân vận động Amsterdam, Hà Lan 1.1.2 Pin axit chì Hình 17 Cấu tạo pin axit chì Phân loại: + Acquy chì kín kín ( Sealed): Các van thêm vào phép khí áp suất tăng + Acquy xả sâu (Deep-cycle): Chu kỳ nạp xả cao, dùng cung cấp lượng liên tục cho xe nâng, xe lăn, phương tiện truyền thông + Acquy khởi động(Starter): Khởi động động công suất lớn vòng khoảng 1s lâu Pin cung cấp dịng điện cao khơng thể sạc sâu Hình 18 Ưu nhược điểm pin axit chì Quá trình susnfat hóa pin axit- chì xảy ắc quy axit chì khơng dc sạc thường xun, sạc khơng đủ điện cần thiết sau thời gian làm cho số lượng tinh thể PbSo4 (trắng xám) lớn dần lên lắng đọng plate , cực pin, chất cách điện , cản trở dịng điện, ngăn cản q trình điện hóa, làm giảm hiệu suất acquy 1.1.3 Pin Nickel Có loại: Pin Nikel-cadmium (Ni-Cd) pin nikel-metal hydride(NiMH) Hình 19 Ưu nhược điểm pin nickel + Pin NiCd có cực dương chất hoạt tính Ni(OH)2, Cd cho điện cực âm, chất điện phân KOH Cũng loại kín có van giảm áp VRLA + Pin NiMH có cực dương Ni(OH)2, hợp kim hydrua kim loại cho cực âm, KOH chất điện phân Pin thiết kế cell mono-block với nhiều cell bên dc cung cấp van để bọc kín giảm áp pin VRLA(pin axit chì với van điều khiển.) Pin Ni-Cd bị hiệu ứng nhớ, NiMH bị Khi bạn sạc pin Ni–Cd với dòng sạc nhỏ dùng pin khơng kiệt sạc lại số hợp chất hóa học tích tụ cực âm pin Nếu bạn tiếp tục sạc kiểu này, hợp chất tích tụ ngày nhiều thêm làm giảm khả tích lũy lượng Cách tốt để tránh tượng dùng pin hết hay xả trước sạc Các sạc pin Ni–Cd tốt thường có nút bấm để xả pin tự động sạc điện áp tụt đến mức thấp 1.1.4 Pin Natri nhiệt độ cao - Pin muối nóng chảy hay Na-beta loại pin hàn kín Cục âm natri kim loại, chất điện phân rắn β-Alumina ( vật liệu dẫn ion nhanh, gốm đa tinh thể cứng) - Có loại đc thương mại hóa: Na-S Natri Niken Clorua(Zebra) + NaS có điện cực dương lưu huỳnh Có nhiệt độ hoạt động từ 310-370 độC + Natri Niken Clorua có điện cực dương bao gồm niken, niken clorua, natri clorua (270-350 độ C) Hình 20 Ưu nhược điẻm pin natri nhiệt độ cao Pin Na-S tiên phong phát triển nxs Nhật NGK Insulators-đã lắp đặt 450 MW toàn cầu Trong Aomari, Nhât lắp cho điện gió có cơng suất 34MW/245MWh 1.1.5 Pin dịng chảy Hình 21 Cấu tạo pin dòng chảy vanadium Là loại tế bào điện dóa, lượng hóa học cung cấp thành phần hóa học hịa tan chất lỏng bơm qua hệ thống mặt riêng màng Các ion trao đổi qua màng, e chạy mạch