Pin lithium-ion hay còn gọi là pin Li-ion (viết tắt là LIB) là một loại pin có thể sạc lại.Pin Lithium-ion thường được sử dụng cho các thiết bị điện tử và xe điện cầm tay và ngày càng phổ biến cho các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ.Một nguyên mẫu pin Li-ion được Akira Yoshino phát triển vào năm 1985, dựa trên nghiên cứu trước đó của John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami và Koichi Mizushima trong những năm 1970-1980, và sau đó pin Li-ion thương mại được phát triển bởi Nhóm Sony và Asahi Kasei do Yoshio Nishi dẫn đầu vào năm 1991. Năm 2019, Giải Nobel Hóa học đã được trao cho Yoshino, Goodenough và Whittingham “vì sự phát triển của pin lithium ion”.

Trong pin, các ion lithium di chuyển từ điện cực âm qua chất điện phân sang điện cực dương trong quá trình phóng điện và trở lại khi sạc.Pin Li-ion sử dụng hợp chất lithium xen kẽ làm vật liệu ở điện cực dương và thường là than chì ở điện cực âm.Pin có mật độ năng lượng cao, không có hiệu ứng bộ nhớ (ngoài các tế bào LFP) và khả năng tự phóng điện thấp.Tuy nhiên, chúng có thể là một mối nguy hiểm về an toàn vì chúng chứa chất điện phân dễ cháy và nếu bị hỏng hoặc sạc không đúng cách có thể dẫn đến nổ và hỏa hoạn.Samsung đã buộc phải thu hồi các thiết bị cầm tay Galaxy Note 7 sau vụ cháy lithium-ion và đã có một số sự cố liên quan đến pin trên những chiếc Boeing 787.

Các đặc tính hóa học, hiệu suất, chi phí và an toàn khác nhau giữa các loại LIB.Các thiết bị điện tử cầm tay hầu hết sử dụng pin lithium polymer (với gel polymer làm chất điện phân) với lithium coban oxide (LiCoO2) làm vật liệu catốt, mang lại mật độ năng lượng cao, nhưng lại có rủi ro về an toàn, đặc biệt là khi bị hỏng.Lithium iron phosphate (LiFePO4), lithium mangan oxide (LiMn2O4, Li2MnO3 hoặc LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2 hoặc NMC) cung cấp mật độ năng lượng thấp hơn nhưng tuổi thọ cao hơn và ít khả năng cháy hoặc nổ hơn.Loại pin này được sử dụng rộng rãi cho các dụng cụ điện, thiết bị y tế và các vai trò khác.NMC và các dẫn xuất của nó được sử dụng rộng rãi trong xe điện.

Các lĩnh vực nghiên cứu cho pin lithium-ion bao gồm kéo dài tuổi thọ, tăng mật độ năng lượng, cải thiện độ an toàn, giảm chi phí và tăng tốc độ sạc, trong số những lĩnh vực khác.Nghiên cứu đang được tiến hành trong lĩnh vực chất điện phân không cháy như một con đường để tăng cường an toàn dựa trên tính dễ cháy và tính dễ bay hơi của dung môi hữu cơ được sử dụng trong chất điện phân điển hình.Các chiến lược bao gồm pin lithium-ion dạng nước, chất điện phân rắn gốm, chất điện phân polyme, chất lỏng ion và hệ thống có nhiều flo.

Pin so với tế bào

Tế bào là một đơn vị điện hóa cơ bản có chứa các điện cực, bộ phân tách và chất điện phân.

Pin hoặc bộ pin là một tập hợp các tế bào hoặc cụm tế bào, có vỏ, kết nối điện và có thể là thiết bị điện tử để điều khiển và bảo vệ.

Điện cực cực dương và cực âm
Đối với các tế bào có thể sạc lại, thuật ngữ cực dương (hoặc điện cực âm) chỉ điện cực nơi quá trình oxy hóa đang diễn ra trong chu kỳ phóng điện;điện cực còn lại là cực âm (hoặc điện cực dương).Trong chu kỳ tích điện, điện cực dương trở thành cực dương và điện cực âm trở thành cực âm.Đối với hầu hết các tế bào lithium-ion, điện cực lithium-oxit là điện cực dương;đối với tế bào lithium-ion titanate (LTO), điện cực lithium-oxit là điện cực âm.

Lịch sử

Tiểu sử

Pin lithium-ion Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Đức
Pin Lithium được đề xuất bởi nhà hóa học người Anh và người đồng nhận giải Nobel hóa học 2019 M. Stanley Whittingham, hiện đang làm việc tại Đại học Binghamton, khi làm việc cho Exxon vào những năm 1970.Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực.Tuy nhiên, loại pin lithium có thể sạc lại này không bao giờ có thể trở thành hiện thực.Titanium disulfide là một lựa chọn tồi, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện hoàn toàn kín, cũng khá đắt (~ 1.000 USD / kg đối với nguyên liệu titan disulfide vào năm 1970).Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfide phản ứng để tạo thành các hợp chất hydrogen sulfide, có mùi khó chịu và độc hại đối với hầu hết các loài động vật.Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngừng phát triển pin lithium-titan disulfide của Whittingham. [28]Pin có điện cực lithium kim loại gây ra các vấn đề an toàn, vì kim loại lithium phản ứng với nước, giải phóng khí hydro dễ cháy.Do đó, nghiên cứu đã chuyển sang phát triển các loại pin, trong đó, thay vì lithium kim loại, chỉ có các hợp chất lithium, có khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.

Sự xen phủ thuận nghịch trong graphit và xen kẽ vào các oxit catốt được phát hiện trong thời gian 1974–76 bởi JO Besenhard tại TU Munich.Besenhard đề xuất ứng dụng của nó trong tế bào lithium.Sự phân hủy chất điện phân và sự đồng hóa dung môi thành than chì là những hạn chế nghiêm trọng ban đầu đối với tuổi thọ của pin.

Sự phát triển

1973 - Adam Heller đề xuất pin lithium thionyl clorua, vẫn được sử dụng trong các thiết bị y tế cấy ghép và trong các hệ thống phòng thủ nơi yêu cầu thời hạn sử dụng lớn hơn 20 năm, mật độ năng lượng cao và / hoặc khả năng chịu được nhiệt độ hoạt động khắc nghiệt.
1977 - Samar Basu chứng minh sự xen phủ điện hóa của liti trong than chì tại Đại học Pennsylvania.Điều này dẫn đến sự phát triển của một điện cực graphite xen kẽ lithium có thể hoạt động được tại Bell Labs (LiC6) để cung cấp một giải pháp thay thế cho pin điện cực kim loại lithium.
1979 - Làm việc trong các nhóm riêng biệt, Ned A. Godshall và cộng sự, và ngay sau đó, John B. Goodenough (Đại học Oxford) và Koichi Mizushima (Đại học Tokyo), đã chứng minh một tế bào lithium có thể sạc lại với điện áp trong dải 4 V bằng cách sử dụng lithium coban điôxít (LiCoO2) làm điện cực dương và kim loại liti làm điện cực âm.Sự đổi mới này đã cung cấp vật liệu điện cực dương cho phép sử dụng pin lithium thương mại ban đầu.LiCoO2 là một vật liệu điện cực dương ổn định, hoạt động như một nhà cung cấp các ion lithium, có nghĩa là nó có thể được sử dụng với vật liệu điện cực âm không phải kim loại lithium.Bằng cách cho phép sử dụng các vật liệu điện cực âm ổn định và dễ xử lý, LiCoO2 đã kích hoạt các hệ thống pin sạc mới.Godshall và cộng sự.xác định thêm giá trị tương tự của hợp chất ôxit kim loại chuyển tiếp bậc ba chẳng hạn như spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 và LiFe5O4 (và sau đó là vật liệu catốt lithium-đồng-oxit và lithium-niken-oxit vào năm 1985)
1980 - Rachid Yazami chứng minh sự xen phủ điện hóa thuận nghịch của liti trong than chì và phát minh ra điện cực graphit liti (cực dương).Các chất điện phân hữu cơ có sẵn vào thời điểm đó sẽ phân hủy trong quá trình sạc bằng điện cực âm graphit.Yazami đã sử dụng một chất điện phân rắn để chứng minh rằng liti có thể được xen kẽ thuận nghịch trong than chì thông qua một cơ chế điện hóa.Tính đến năm 2011, điện cực than chì của Yazami là điện cực được sử dụng phổ biến nhất trong pin lithium-ion thương mại.
Điện cực âm có nguồn gốc từ PAS (vật liệu bán dẫn polyacenic) được phát hiện bởi Tokio Yamabe và sau đó là Shjzukuni Yata vào đầu những năm 1980.Hạt giống của công nghệ này là sự phát hiện ra polyme dẫn điện của Giáo sư Hideki Shirakawa và nhóm của ông, và nó cũng có thể được coi là bắt đầu từ pin polyacetylene lithium ion được phát triển bởi Alan MacDiarmid và Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall và cộng sự.đã được trao Bằng sáng chế Hoa Kỳ 4.340.652 cho việc sử dụng LiCoO2 làm cực âm trong pin lithium, dựa trên bằng Tiến sĩ Đại học Stanford của Godshall.luận án và năm 1979 xuất bản.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David và John Goodenough đã phát triển Spinel mangan làm vật liệu cathode tích điện có liên quan về mặt thương mại cho pin lithium-ion.
1985 - Akira Yoshino đã lắp ráp một tế bào nguyên mẫu bằng cách sử dụng vật liệu cacbon, trong đó các ion liti có thể được đưa vào làm một điện cực và oxit liti coban (LiCoO2) làm điện cực kia.Điều này đã cải thiện đáng kể sự an toàn.LiCoO2 cho phép sản xuất quy mô công nghiệp và kích hoạt pin lithium-ion thương mại.
1989 - Arumugam Manthiram và John B. Goodenough phát hiện ra lớp polyanion của catốt.Họ chỉ ra rằng các điện cực dương có chứa polyanion, ví dụ, sunfat, tạo ra điện áp cao hơn so với oxit do hiệu ứng cảm ứng của polyanion.Lớp polyanion này chứa các vật liệu như phốt phát sắt lithium.

<còn tiếp…>