Cấu tạo pin Pin

Cấu tạo pin Pin_Li-ion

Điện cực dương (cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), cho phép ion liti khuếch tán theo 2 chiều.[21] Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài. 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 liti 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 dương
Hợp chất	Công ty	Ứng dụng	Năm	Ưu điểm
Liti Niken Mangan Coban Oxit (NMC, LiNixMnyCozO2)	Imara Corporation, Nissan Motor,[25][26] Microvast Inc., LG Chem[27]	Xe điện, dụng cụ điện, grid energy storage	2008	Năng lượng riêng và mật độ năng lượng riêng cao
Liti Mangan Oxit (LMO, LiMn2O4)	LG Chem,[28] NEC, Samsung,[29] Hitachi,[30] Nissan/AESC,[31] EnerDel[32]	Xe điện hybrid, điện thoại, laptop	1996	Giá rẻ, bền, năng lượng riêng cao
Liti Sắt Phosphate ("LFP", LiFePO4)	University of Texas/Hydro-Québec,[33] Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT[34][35]	Segway Personal Transporter, dụng cụ điện, sản phẩm hàng không, automotive hybrid systems, PHEV conversions	1996	Mật độ năng lượng ở mức trung bình (2 A·h outputs 70 amperes) An toàn, bền nhiệt.
Liti Coba Oxit (LiCoO2)	Sony first commercial production[56][85]	Đa dạng	1991	Năng lượng riêng cao
Liti Niken Coban Nhôm Oxit ("NCA", LiNiCoAlO2)	Panasonic,[27] Saft Groupe S.A.[36]	Xe điện	1999	Năng lượng riêng cao, vòng đời dài

Điện cực âm (anode)

Vật 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 liti 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 liti, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi “chứa” ion liti, silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin.[38]

Điện cực âm
Hợp chất	Dung lượng	Công ty	Ứng dụng	Năm	Nhận xét
Graphite	372 mAh/g		Là vật liệu chính cho cực âm trong hầu hết các LIB	1991	Giá rẻ. Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước hình dạng của từng lớp graphene. [120]
Liti Titanate ("LTO", Li4Ti5O12)	175 mAh/g	Toshiba, Altairnano	Ô tô (Phoenix Motorcars), điện lưới dự trữ (PJM Interconnection Regional Transmission Organization control area,[121] United States Department of Defense[122]), bus (Proterra)	2008	Dòng điện, thời gian sạc, độ bền (an toàn, bền nhiệt, có thể chạy trong khoảng −50–70 °C (−58–158 °F))[123]
Hard Carbon	540 mAh/g[39]	Energ2[124]	Dụng cụ điện gia đình	2013	Dung lượng lớn
Hợp kim thiếc coban (CoSnx)	lên đến 992 mAh/g	Sony	Dụng cụ điện (Sony Nexelion battery)	2005	Dung lượng lớn hơn pin graphite (3.5Ah 18650-type battery)
Silicon/Carbon	Volumetric: 580 W·h/l	Amprius[125]	Smartphones, với công suất 5000 mA·h	2013	Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon <10% khối lượng.

Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với Li có thể gây nứt gãy vật liệu. Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha solid electrolyte interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành. Lớp SEI này có thể dày lên ngăn chặn quá trình khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cực cũng như công suất pin và giảm độ bền của âm cực. Nhiều nỗ lực được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano.

Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion liti giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Chính vì thế, nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Li-ion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion liti ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC. Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion liti di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra dòng điện ở mạch ngoài nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với ion liti), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm. Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối liti, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat.[40]

Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực. Lớp giao pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp giao diện bền.[41][42]

Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE (poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền.[43][44] Nó có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường khác.

Để hạn chế sự rò rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung môi này gặp không khí, dung môi gel, polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.

Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin li-ion dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quá trình lắp ráp, tăng tín an toàn cho pin.