Pin Li-ion hay pin lithi-ion / pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả [quá trình sử dụng]. LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp [layered structure compounds], khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.v.; dùng cho điện cực dương là graphite. Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.
| Varta lithium-ion battery, Museum Autovision, Altlussheim, Germany
Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970.[16] Whittingham đã sử dụng titan [IV] sulfide và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan disulfide là một lựa chọn tồi, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém [~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfide trong những năm 1970]. Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfide phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfide có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfide - lithium này của Whittingham.[17] Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn, vì lithium là một chất phản ứng mạnh; Nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí.[18] Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium. Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991. Ngày nay, pin li-ion đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới.[19] Nguyên tắc hoạt độngSửa đổiCác chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin lithi-ion là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion lithi dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy. Ion lithi di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion lithi xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập lithi [lithiation, intercalation/intercalation/insertion process], và ngược lại ion lithi rời khỏi mạng tinh thể [deintercalation/delithiation/extraction process]. Khi xả, ion lithi [mang điện dương] di chuyển từ cực âm [anode], thường là graphite, C6 trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion lithi. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương [cathode] trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 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 sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin [nay trở thành cực âm], ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin [nay đã đóng vai trò cực dương]. Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc 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. Bán phản ứng tại cực dương [cathode] trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau [chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả]: LiCoO2 {\displaystyle \rightleftharpoons } CoO2 + Li+ + e- Bán phản ứng tại cực âm [anode] trong vật liệu dạng lớp graphite [chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả]: C6 + Li+ + e- {\displaystyle \rightleftharpoons } LiC6 Phản ứng của cả pin [chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả] C6 + LiCoO2 {\displaystyle \rightleftharpoons } LiC6 + CoO2 Như vậy khi sạc, C60 [anode] bị khử thành C61-, 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 lithi] một lithi coban oxide đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxide, theo phản ứng một chiều sau: LiCoO2 + Li+ + e- Li2O + CoO Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxide, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X.[20] LiCoO2 Li+ +e- + CoO2 Cấu tạo pinSửa đổiĐiện cực dương [cathode]Sửa đổiVật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban mở rộng cấu trúc pseudo-tetrahedral [tứ diện giả], cho phép khuếch tán ion lithium theo 2 chiều.[21] Đây là những vật liệu lí tưởng do nhiệt dung riêng 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 cao do chứa coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt.[22] Vật liệu cơ sở là mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion lithi khuếch tán theo cả ba chiều.[21] Vật liệu này đang được quan tâm bởi mangan rẻ và phổ biến hơn coban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục. Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin.[22] 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.[23] Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc.[24]
Điện cực âm [anode]Sửa đổiVật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác. Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion lithi 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 tới 10%.[37] Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion lithi, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi "chứa" ion lithi, silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin.[38]
|