Cấu tạo ắc quy pin lithium và nguyên lý hoạt động

Bên cạnh các loại ắc quy chì thông thường, hiện nay, ắc quy pin lithium cũng rất được ưa chuộng với nhiều ưu điểm vượt trội. Vậy, cấu tạo ắc quy pin lithium như thế nào? Nguyên lý hoạt động ra sao? Những thông tin được TOPACQUY.VN đề cập dưới đây sẽ giúp bạn tìm được lời giải cụ thể cho vấn đề này.

Ắc quy pin lithium là gì? Pin lithium ion là gì?

Ắc quy pin lithium hay còn được gọi bằng những cái tên khác như pin Li-ion hoặc pin Lithi-ion. Đây là một trong những loại pin thuộc công nghệ tiên tiến, có thành phần chính là ion lithium, có thể sạc để duy trì sử dụng. Pin Lithium ion có tên viết tắt là LIB.

Ắc quy pin Lithium ion đã được nghiên cứu từ năm 1970 bởi nhà hóa học người Anh- M. Stanley Whittingham. Đây là nghiên cứu sử dụng titan sulfua và kim loại lithi làm điện cực, tuy nhiên chúng vẫn chưa được ứng dụng vào thực tế.

Đến năm 1983, giáo sư của Đại học Meijo Nhật Bản- Akira Yoshino đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có vật liệu cực dương không chứa liti và những ion liti đều di chuyển từ cực âm sang dương trong quá trình sạc. Lúc này, nghiên cứu đã trở thành tiền thân trực tiếp cho pin lithium- ion.

Cuối cùng, năm 1991, pin lithium- ion mới được thương mại hóa bởi Sony Energytec và trở thành loại pin thống trị thị trường dành cho các thiết bị lưu trữ điện UPS, thiết bị di động, ô tô điện, ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ… trên toàn thế giới như hiện nay. Loại pin này cũng được đánh giá là khá tiềm năng để có thể thay thế cho những loại bình ắc quy axit chì thường dùng.

Pin lithium được chia thành 4 hình dạng, bao gồm: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình lăng trụ và hình phẳng (dạng túi) với các loại pin lithium-ion như: Lithium-Cobalt Oxide, Lithium-titanate (loại pin dùng cho ô tô điện, xe đạp, mô tô và xe tay ga, Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide, Lithium-Mangan Oxit và Lithium-Iron Phosphate.

>>> Xem thêm: [Giải đáp] Làm sao để biết xe đạp điện đã sạc đầy?

Đặc điểm, cấu tạo của ắc quy pin lithium ion

Ắc quy pin Lithium ion là loại có mật độ năng lượng cao và khả năng tự phóng điện khá thấp. Loại ắc quy này có cấu tạo gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, hai bộ thu dòng điện và các chất điện phân.

Ở điện cực dương (Cathode)

Điện cực dương được làm từ 2 vật liệu chính là LicoO2 và LiMnO4, với cấu trúc phân tử bao gồm Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua ắc quy, nguyên tử Lithium sẽ nhanh chóng tách khỏi cấu trúc và tạo thành ion dương Lithium, Li+.

Ở điện cực âm (Anode)

Điện cực âm được cấu tạo từ than chì (graphene) cùng một số vật liệu Cacbon khác với chức năng lưu giữ những ion Lithium L+ trong tinh thể.

Bộ phân tách

Bộ phân tách hay còn được gọi là màng ngăn cách điện. Bộ phận này được làm bằng nhựa PE hoặc PP và nằm giữa cực dương và cực âm với nhiều lỗ nhỏ. Nhờ có bộ phân tách mà cực dương và cực âm được ngăn cách với nhau. Mặc dù vậy, các ion Li+ vẫn có thể được đi qua.

Chất điện phân

Chất điện phân chính là dòng chất lỏng được sử dụng để lấp đầy hai cực và màng ngăn, là các chất vừa có độ dẫn ion tốt vừa cách điện tốt. Dung dịch điện phân trong ắc quy lithium có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ với chức năng tương tự vật dẫn các ion Li+ từ.

Đây chính là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin với nguyên tắc cơ bản là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti sẽ dao động ở mức 1-2 S/cm tại nhiệt độ phòng và tăng lên 30-40% khi nhiệt độ đạt 40 độ, giảm nhẹ đi khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

Nguyên lý hoạt động của ắc quy pin lithium

Trong quá trình xả và sạc, cực âm và cực dương của pin lithium đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa. Đồng thời, dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti có thể di chuyển giữa 2 điện cực. Trong lúc pin di chuyển, dòng điện sẽ liên tục chạy ở mạch ngoài. Về nguyên lý hoạt động của loại ắc quy pin lithium, bạn có thể hiểu như sau:

Đối với quy trình xả

Ở quá trình này, ion-liti mang điện dương sẽ di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly và sang cực dương. Tại cực dương, chúng sẽ có phản ứng với ion liti. Khi mỗi ion Li được dịch chuyển từ cực âm sang cực dương thì ở mạch ngoài sẽ lại có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương nhằm sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.

Đối với quy trình sạc

Đây là quá trình diễn ra ngược lại với quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron sẽ bị buộc phải tách khỏi cực dương và di chuyển trở về điện cực âm của pin. Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti sẽ bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng rồi di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây các ion sẽ tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

Ưu điểm khi sử dụng ắc quy pin lithium ion

Không phải tự nhiên mà các dòng ắc quy pin lithium ion lại được ưa chuộng đến vậy trong thời đại hiện nay, điều này là dựa vào một số ưu điểm của chúng như:

Ắc quy pin Lithium có mức điện áp cao từ 3,7V - 3,8V- cao hơn hẳn so với các loại pin thông thường trên thị trường.
Pin Lithium ion có mức năng lượng thực tế đạt tới 555Wh/kg. Mức năng lượng bên trong dòng ắc quy này cao gấp 3 - 4 lần so với các loại pin Ni-MH, Ni-Cd thông thường.
Nếu các loại pin thông thường có vòng đời sử dụng từ 500 - 1000 lần thì một số pin Lithium ion có thể đạt được vòng đời sử dụng lên đến 2000 lần. Đặc biệt, những loại thiết bị ắc quy lithium xả dòng nhỏ thường có tuổi thọ cao.
Pin Lithium được xác nhận là sản phẩm an toàn với người sử dụng và môi trường xung quanh bởi không sinh khí độc.
Pin Lithium ion có tốc độ sạc nhanh. Người dùng thường chỉ mất khoảng 30 phút là nạp được đến 80% dung lượng pin và cho hiệu suất hoạt động cao.

Chính bởi các ưu điểm như vậy nên Pin Lithium thường được sử dụng trong các sản phẩm cao cấp, có giá trị cao như: Xe điện, Điện thoại, Laptop, Thiết bị gia dụng giá trị cao (Vacuums, Power Tools,...)

>>> Xem thêm: Cách sửa xe đạp điện bị chập điện nhanh nhất

So sánh ắc quy pin lithium và ắc quy chì

Để giúp bạn có cái nhìn cụ thể hơn về ắc quy pin lithium ion, dưới đây là một số khía cạnh khi so sánh chúng với các loại ắc quy axit chì thông thường

Về độ bền: Nếu ắc quy chì thường chỉ có độ bền khoảng 1 năm thì ắc quy pin lithium lại có độ bền vượt trội hơn nhiều với thời gian sử dụng lên đến 4- 5 năm.
Về thời gian sạc: Ắc quy chì thường có thời gian sạc khá chậm, kéo dài từ 6 đến 8 tiếng, trong khi đó ắc quy lithium lại chỉ cần khoảng 3 đến 4 tiếng, thậm chí vài phút là đã có thể đầy bình. Không chỉ vậy, ắc quy chì thường có khuyến cáo pin giảm vượt quá 50% thì phải được sạc đầy để tránh bị hỏng sau 1- 2 tháng sử dụng, đồng thời tránh để pin bị xả đến tận đáy để hạn chế tình trạng hỏng bản cực và chết. Tuy nhiên, với người dùng ắc quy lithium, họ hoàn toàn có thể sử dụng hết pin mới tiến hành sạc và không cần lo lắng nhiều về việc bị hỏng sau một thời gian sử dụng.
Về khối lượng: Các dòng ắc quy chì thường được đánh giá là có khối lượng khá nặng ( dao động khoảng 12- 15kg), trong khi các ắc quy pin lithium chỉ có khối lượng khoảng từ 3- 4kg.
Về khả năng chống nước: Ắc quy pin lithium vượt trội hoàn toàn về điểm này bởi chúng có thể chống nước tuyệt đối còn ắc quy chì thì không.
Về khả năng chống cháy: Ắc quy pin lithium cũng được đánh giá cao về khả năng chống cháy nổ vì thế chúng tốt hơn hẳn so với khả năng chống cháy thấp của ắc quy chì.
Khả năng ảnh hưởng đến môi trường: Nếu việc sử dụng ắc quy chì đem lại nhiều ảnh hưởng tiêu cực cho môi trường bởi cấu tạo gồm chì và axit thì việc sử dụng ắc quy lithium sẽ giúp bạn hạn chế điều đó. Đây là bởi chúng được cấu tạo bởi các cell rắn lithium và không chứa chì, axit.

Lưu ý khi sử dụng ắc quy pin lithium ion

Mặc dù ắc quy pin lithium ion thực sự có nhiều ưu điểm cho quá trình sử dụng, tuy nhiên bạn cũng cần lưu ý một số vấn đề sau để chúng có thể phát huy tác dụng tốt hơn:

Nên tránh việc dùng hết pin rồi mới sạc.
Tuyệt đối tránh sử dụng ắc quy quá hạn sử dụng kể từ ngày sản xuất.
Nên tránh đặt ắc quy ở những nơi có nhiệt độ cao bởi có thể làm chúng thoái hóa.

Nên sử dụng ắc quy hay pin lithium cho xe điện

“ Ắc quy hay pin lithium sẽ thích hợp hơn cho xe điện?”- Đây là câu hỏi rất nhiều khách hàng đặt ra khi cần lựa chọn mua các sản phẩm ắc quy pin. Câu trả lời cho vấn đề này chính là pin lithium. Điều này là bởi loại ắc quy này sở hữu rất nhiều ưu điểm nổi bật về độ bền và dung lượng. Chính vì thế chúng có thể giúp phương tiện của bạn hoạt động tốt hơn. Đây cũng được xem là xu hướng tất yếu trên thế giới trong thời điểm hiện tại.

Đối với các dòng xe đạp, xe máy điện, bạn nên sử dụng các loại bình ắc quy lithium 48V – 12Ah gồm 4 loại bình ắc quy 12V- 12Ah được mắc nối tiếp với nhau. Đây chính là loại phù hợp với những động cơ phương tiện có công suất nhỏ từ 350 đến 500W. Việc lựa chọn các loại ắc quy chất lượng cao có thể giúp bạn di chuyển trên quãng đường khoảng 50km chỉ với 1 lần sạc.

Nếu bạn sử dụng các loại xe máy điện công suất lớn hơn- khoảng từ 800W đến 1580W, bạn nên sử dụng 2 loại bình ắc quy sau:

Bình ắc quy 48V - 20Ah bao gồm 4 ắc quy 12V - 20Ah được mắc nối tiếp nhau. Đây là dòng ắc quy phù hợp với công suất động cơ phương tiện từ 800W đến 1000W. Mỗi lần sạc đầy, bạn có thể di chuyển quãng đường có tổng chiều dài trong khoảng 40 - 60km.
Bình ắc quy 60V - 20Ah bao gồm 5 bình ắc quy 12V - 20Ah được mắc nối tiếp nhau. Đây là dòng ắc quy phù hợp với công suất động cơ phương tiện từ 1000W đến 1600W. Mỗi lần sạc đầy, bạn có thể di chuyển quãng đường có tổng chiều dài trong khoảng 60 - 80km.

Mua ắc quy pin lithium ở đâu uy tín?

Hiện nay, TOPACQUY.VN đang được đánh giá là một trong những điểm cung cấp ắc quy lithium cùng nhiều dòng ắc quy xe đạp điện, ô tô uy tín, chất lượng tại Hà Nội. Đến với đơn vị chúng tôi, quý khách hàng sẽ có thêm nhiều sự lựa chọn với đa dạng sản phẩm. Đồng thời, đội ngũ tư vấn viên của đơn vị cũng luôn sẵn sàng hỗ trợ, giải đáp các thắc mắc để giúp khách hàng nhanh chóng chọn được sản phẩm phù hợp với nhu cầu.

Các bài viết liên quan: