– Pin Lithium ion là gì?
Pin Lithium ion hay còn gọi là pin li-on, viết tắt là LIB. Đây là công nghệ pin tiên tiến có ion lithium là thành phần chính, điều đặc biệt là loại pin này có thể sạc được.

Pin Lithium thường dùng cho các thiết bị như: Điện thoại, máy tính, máy chụp hình… Hiện nay, pin lithium còn được chú trọng phát triển trên những ứng dụng phương tiện di chuyển chạy bằng điện như: Xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện… hoặc kỹ thuật ở các ngành quân đội, hàng không…
– Lịch sử phát triển của pin Lithium ion
Vào năm 1970, M. Stanley Whittingham là nhà hóa học người Anh, khi làm việc cho Exxon, đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium từ thí nghiệm này không thể ứng dụng vào thực tế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không. Nếu để thực hiện điều này sẽ rất tốn kém (khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970).
Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí. Chính vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham.

Năm 1980, John Goodenough là giáo sư vật lý người Mỹ đã phát minh ra một loại pin lithium khác. Ông đã tạo ra pin lithium nhờ sự kết hợp giữa lithium coban oxit, có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dưới dạng ion Li+.
Đến năm 1983, Akira Yoshino giáo sư của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Nguyên mẫu này có vật liệu cực dương không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dương trong quá trình sạc. Phát minh này của Yoshino là tiền thân trực tiếp của pin Lithium-ion (LIB) thời hiện đại.
Pin lithium-ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec năm 1991. Ngày nay lithium đã trở thành loại pin thống trị trên thị trường dành cho các thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS trên toàn thế giới.
Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion là:
– Lithium-Cobalt Oxide
– Lithium-titanate: Dùng cho ô tô điện, xe đạp, xe tay ga, mô tô
– Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide
– Lithium-Mangan Oxit
– Lithium-Iron Phosphate
– Cấu tạo pin Lithium ion
Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

– Điện cực dương (Cathode)
Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.
– Điện cực âm (Anode)
Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.
– Bộ phân tách
Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.
– Chất điện phân
Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ.
Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.
– Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion
Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:

– Quy trình xả:
Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.
– Quy trình sạc:
Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.
Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.
– Thay đổi ngành công nghệ pin trên thế giới
Lịch sử phát triển của pin Lithium được ra đời từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong những năm 1970, được nghiên cứu phát triển bởi nhà hóa học M. Stanley Whmitham thuộc Đại học Binghamton (Anh). Dưới đây là 6 đặc trưng nổi bật của pin Lithium dẫn đến sự thay đổi của ngành công nghệ pin và sự ra đời của những thế hệ pin tương lai:
- Kích thước gọn nhẹ
Pin Lithium chỉ có trọng lượng bằng ⅓ trọng lượng của ắc quy axit chì với mức năng lượng tương đương. Điều này ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế của thiết bị hay phương tiện sử dụng pin Lithium. Việc giảm trọng lượng giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.
- Mật độ năng lượng cao
So với các loại pin sạc thông thường, pin Lithium có mật độ năng lượng và mức điện áp nạp và xả cao hơn, khoảng từ 3.7 – 3.8V. Pin Lithium duy trì điện áp ổn định, tạo ra nhiều năng lượng hơn trong suốt chu kỳ của pin có thể lên tới 200 – 500Ah.
- Công suất cao
Pin Lithium cho thời gian sử dụng dài hơn so với ắc quy axit chì cho mỗi lần sạc. Pin Lithium có thể xả sâu đến 90% cho tuổi thọ pin tốt hơn ắc quy axit chì (thường chỉ nên xả xuống mức 50%). Theo đó, pin Lithium có thể sử dụng lâu hơn trước khi cần kết nối sạc lại mà không lo bị hỏng pin.
- Vòng đời pin dài hơn
Mỗi lần sạc đầy và xả hết pin được gọi là một chu kỳ. Tuổi thọ pin được đánh giá theo số chu kỳ nạp – xả. Pin Lithium có khả năng hoạt động lên đến 5.000 chu kỳ ở mức 50% và 2.000 chu kỳ ở mức 80%. Trong khi với ắc quy axit chì chỉ khoảng 500 đến 1000 chu kỳ với mức xả 50%. Điều này tương đương với tuổi thọ pin Lithium có thể lên đến hơn 10 năm so với axit chì chỉ 2-3 năm.
- Thời gian sạc nhanh hơn
Pin Lithium cần ít thời gian để sạc đầy hơn một ắc quy axit chì cùng dung lượng. Pin Lithium cũng không yêu cầu sạc nhiều tầng phức tạp như những loại pin khác.
- Tiết kiệm chi phí
Khi so sánh tổng chi phí trung bình trong suốt vòng đời sử dụng có thể thấy pin Lithium về khả năng sử dụng và tuổi thọ pin sẽ rẻ hơn ắc quy axit chì về lâu dài. Một pin Lithium có tuổi đời sử dụng bằng 3 – 4 ắc quy axit chì thông thường, chưa kể đến những chi phí và bất tiện khi liên tục phải thay ắc quy mới.
Từ những tác động của pin Lithium kể trên có thể thấy việc sử dụng pin Lithium có thể ảnh hưởng lớn đến trọng lượng, kích thước và tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.
– Pin Lithium tác động đến môi trường
Tái chế pin Lithium là giải pháp vừa giúp bảo vệ môi trường vừa có thể tái sử dụng lại pin cũ để tạo ra pin mới. Việc này sẽ giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất pin, đồng thời khuyến khích việc tái sử dụng pin nhiều lần với mức giá hợp lý.
Hiện tại nhiều quốc gia Châu Âu, Châu Á, Châu Mỹ và một số nước khác trên thế giới đã quan tâm nhiều hơn đến vấn đề chế tạo và tái chế pin Lithium. Tuy nhiên mỗi quốc gia lại có những quy trình riêng và hiệu quả mang lại khác nhau.
Trong quy trình tái chế pin Lithium bảo vệ môi trường có khả năng tái chế được một phần các kim loại như nhôm và đồng. Một số khác sẽ tái chế hoàn toàn và tạo ra các sản phẩm mới thay thế như các hợp chất lithium carbonate, niken sunfat và coban sunfat. Hầu hết các quốc gia thường sử dụng phương pháp thủy luyện. Thông qua đó các thành phần chất lỏng trong pin Lithium sẽ được phân tách thông qua các phản ứng với nhau. Tuy nhiên, trước khi thực hiện quá trình thủy luyện, các sản phẩm pin cũ cần phải trải qua các quá trình cơ học như cắt, nghiền nhỏ, nhiệt phân hay nấu chảy.
Lượng pin được tái chế trong năm 2018 ước tính khoảng 97.000 tấn. Trong đó bao gồm, 67.000 tấn sử dụng cho những nhà máy tại Trung Quốc và được tái chế ở Hàn Quốc là 18.000 tấn. Đây là hai quốc gia đi đầu trong ngành sản xuất pin Lithium và cũng có dự trữ lượng lớn vật liệu sản xuất pin lớn nhất hiện nay. Nhu cầu về nguyên liệu thô và các chất dùng cho quá trình tái chế tại 2 nước này là lớn nhất. Ngoài ra, các nhà sản xuất pin cũng đồng thời đóng vai trò nhà tái chế pin.
Những tác động của pin Lithium với ngành công nghiệp năng lượng và cuộc sống con người khá rõ nét và nổi bật. Việc ứng dụng công nghệ pin tiên tiến này để sản xuất ra những sản phẩm sử dụng pin Lithium ngày càng phổ biến.