Quá trình phát triển công nghệ chế tạo pin Lithium

Quá trình phát triển công nghệ chế tạo pin Lithium

Từ năm 1991, pin Lithium-ion chính thức được thương mại hóa bởi Sony Energytec. Pin Lithium-ion nhanh chóng trở thành chuẩn pin phổ biến trên thị trường các thiết bị di động và lưu trữ điện UPS. Hiện nay, pin Lithium-ion đã thống trị nhiều lĩnh vực trên toàn cầu.

Cấu tạo của pin Lithium-ion

• Cực dương (Cathode):
  • Thành phần gồm có LicoO2 (oxit lithi coban) và LiMnO4 (manganat lithi).
  • Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử oxit coban liên kết với nguyên tử lithium.
  • Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử lithium sẽ tách khỏi cấu trúc, tạo thành ion dương lithium (Li+).
• Cực âm (Anode):
  • Thành phần than chì (graphene) và các vật liệu cacbon khác có chức năng lưu trữ các ion lithium (Li+) trong tinh thể.
• Bộ phân tách:
  • Bộ phân tách, còn được gọi là màng ngăn cách điện, thường được làm bằng nhựa polyethylene (PE) hoặc polypropylene (PP).
  • Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ để ngăn cách giữa hai cực, các ion lithium (Li+) vẫn có thể di chuyển qua các lỗ nhỏ này.
• Chất điện phân:
  • Chất điện phân là một dung dịch lỏng lắp đầy giữa hai cực và màng ngăn cách.
  • Dung dịch điện phân chứa chất LiPF6 và dung môi hữu cơ.
  • Chất điện phân có chức năng vận chuyển các ion lithium (Li+) từ điện cực này sang điện cực kia trong quá trình sạc và xả pin.

  • Độ dẫn ion lithium trong chất điện phân thường đạt từ 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Độ dẫn ion có thể tăng khoảng 30-40% khi nhiệt độ tăng lên 40°C và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0°C.

    

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

• Trong quá trình xả pin, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua chất điện phân. Trong khi đó, các electron di chuyển từ cực âm đến cực dương thông qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện. Quá trình này giúp cung cấp năng lượng điện để sử dụng cho các thiết bị.
• Sau khi pin đã được sử dụng và dòng điện giảm xuống, pin cần được sạc lại để tái tạo năng lượng. Trong quá trình sạc pin, các ion lithium di chuyển từ cực dương trở lại cực âm, trong khi đó, các electron chạy ngược lại từ cực dương đến cực âm thông qua mạch ngoài. Quá trình sạc này khôi phục năng lượng trong pin để sử dụng cho chu kỳ phóng điện tiếp theo.

Trong một chu kỳ phóng điện, các nguyên tử lithium ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các electron của chúng. Các ion lithium di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến cực âm. Tại cực âm, chúng tái kết hợp với các electron và trung hòa điện tích.

Quy trình sản xuất pin Lithium-ion

• Chuẩn bị điện cực:
  • Vật liệu hoạt tính (AM), phụ gia dẫn điện và chất kết dính được trộn với dung môi để tạo thành hỗn hợp bùn đồng nhất.
  • Đưa bùn vào một khuôn rãnh và phủ lên cả hai mặt của bộ thu dòng điện (lá nhôm cho cực âm và lá đồng cho cực dương).
  • Sau đó, bộ thu dòng điện được đưa vào thiết bị làm khô để bay hơi dung môi.
  • Đối với bùn cực dương gốc nước, hơi nước có thể thoát ra trực tiếp vào môi trường xung quanh.
  • Sau đó, đưa các điện cực vào lò chân không để loại bỏ lượng nước dư thừa.
  • Độ ẩm của các điện cực được kiểm tra sau khi làm khô để giảm thiểu phản ứng phụ và ăn mòn trong tế bào.
• Lắp ráp tế bào:
  • Các điện cực và thiết bị phân tách được cuộn lại hoặc xếp chồng lên nhau từng lớp để tạo thành cấu trúc bên trong của tế bào.
  • Mẫu nhôm và đồng được hàn lần lượt lên cực âm và cực dương.
  • Sau đó, tế bào được xếp vào vỏ bọc thiết kế theo sở thích của nhà sản xuất.
  • Vỏ bọc được đổ chất điện phân trước khi niêm phong cuối cùng và hoàn thành quá trình sản xuất tế bào.
• Kích hoạt điện hóa pin:
  • Lớp giao diện điện phân rắn (SEI) ổn định có nhiệm vụ ngăn chặn sự tiêu thụ không thể đảo ngược của chất điện phân và bảo vệ cực dương của pin khỏi quá điện trong quá trình sạc nhanh.
  • Quá trình hình thành và lão hóa pin xảy ra khi tế bào được sạc đến một điện áp tương đối thấp (khoảng 1,5V) để bảo vệ bộ thu dòng điện đồng khỏi ăn mòn.
  • Sau đó, một phiên nghỉ ngơi được thực hiện để làm ướt chất điện phân.
  • Các tế bào được sạc hoặc xả ở tỷ lệ thấp khoảng C/20 và sau đó tốc độ sạc/xả tăng dần để tạo ra một lớp SEI ổn định trên bề mặt cực dương.
  • Khí được tạo ra từ quá trình hình thành cần được thải ra để đảm bảo an toàn.
  • Sau khi hoàn thành hoặc trong chu kỳ hình thành, các tế bào được lưu trữ trên các kệ để làm ướt hoàn toàn chất điện phân và ổn định SEI.

  • Một bước khử khí cuối cùng được thực hiện trước khi niêm phong tế bào cuối cùng để sử dụng trong các ứng dụng sau này.

    

Tương lai của công nghệ chế tạo pin Lithium