Mục lục
Pin Lithium ion là gì?
Pin lithium-ion hay còn gọi là pin Li-ion hoặc LIB, là một loại pin có thể sạc lại, sử dụng các hợp chất lithium làm một trong các điện cực.
Cấu tạo của pin Lithium ion
Bên trong pin lithium chứa nhiều tế bào lithium-ion (mắc nối tiếp và song song), các dây nối các tế bào và hệ thống quản lý pin, còn được gọi là BMS. Hệ thống quản lý pin theo dõi sức khỏe và nhiệt độ của pin. Ở đầu mỗi lần sạc, BMS cũng cân bằng năng lượng trên tất cả các tế bào và giúp đảm bảo pin lithium-ion có được tuổi thọ và hiệu suất tối đa.
Cấu tạo của một tế bào lithium-ion riêng lẻ tương đối đơn giản, có bốn thành phần: Cực dương, cực âm, chất điện phân và bộ phân tách. Mọi thành phần của pin Li-ion đều cần thiết vì nó không thể hoạt động khi thiếu một trong các thành phần.
Điện áp của tế bào lithium-ion thay đổi tùy thuộc vào loại hóa học cụ thể. Điện áp đầu ra danh nghĩa của một tế bào lithium sắt photphat nằm trong khoảng từ 3,2V đến 3,8V. Tuy nhiên, điện áp tiêu chuẩn của nhiều loại pin lithium-ion là 12V, 24V và 48V.
Khi nối tiếp các tế bào trong chuỗi, điện áp của chúng sẽ cộng lại với nhau. Ví dụ: Kết nối bốn cell nối tiếp sẽ tạo ra pin 12V. Các tế bào lithium-ion cũng có thể được kết nối song song. Khi kết nối song song các tế bào pin, dung lượng của chúng sẽ cộng lại với nhau. Điều này có nghĩa là hai cell có kết nối song song sẽ có dung lượng gấp đôi so với một cell duy nhất.
Các điện cực pin lithium ion
Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng cho cực dương là than chì. Các vật liệu phổ biến cho cực âm là oxit liti coban, photphat sắt liti và oxit mangan liti. Các chất hóa học khác nhau này cung cấp các lợi ích và điện áp khác nhau.
Chất điện phân pin Lithium ion là gì?
Vai trò của chất điện phân bên trong pin lithium ion là giúp vận chuyển các ion lithium-ion dương giữa cực dương và cực âm. Chất điện phân phổ biến nhất bên trong pin lithium ion là muối lithium .
Bộ phân tách là gì?
Giữa cực dương và cực âm là ngăn cách. Bộ phân tách là một tấm vật liệu mỏng cho phép các ion liti đi qua nhưng không dẫn điện. Nó ngăn không cho cực dương và cực âm kết nối với nhau về điện và buộc các điện tử chạy qua thiết bị điện tử của bạn, cung cấp năng lượng cho nó.
Dải phân cách cũng đóng một vai trò an toàn quan trọng. Nếu bộ phân tách quá nóng, các lỗ sẽ đóng lại và ngăn các ion liti đi qua. Việc ngừng vận chuyển các ion sẽ làm tắt tế bào pin, điều này có thể giúp tránh hỏng pin hoặc hỏa hoạn.
Nguyên lý hoạt động của Pin Lithium ion
Nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion có thể được giải thích dưới dạng trạng thái sạc và trạng thái xả.
Khi xả, các ion lithium mang điện tích dương (Li +) sẽ di chuyển từ cực âm sang cực dương. Chúng thực hiện điều này bằng cách di chuyển qua chất điện phân cho đến khi đến điện cực dương. Mặt khác, các electron chuyển động từ cực dương sang cực âm.
Khi sạc pin lithium-ion, quá trình hoàn toàn ngược lại sẽ xảy ra. Các ion liti di chuyển ngược lại từ cực âm sang cực dương. Các êlectron chuyển từ cực dương sang cực âm.
Các loại pin lithium ion
Lithium Coban Oxit (LiCoO 2 ) – LCO: Cực âm LiCoO 2 (~ 60% Co), cực dương bằng than chì
Lithium Mangan Oxit (LiMn 2 O 4 ) – LMO: Cực âm LiMn2O4, cực dương bằng than chì
Lithium Niken Mangan Coban Oxit (LiNiMnCoO 2 ) – NMC: Cực âm, cực dương bằng than chì
Lithium Sắt Phosphate (LiFePO 4 ) – LFP: Cực âm LiFePO4, cực dương bằng than chì
Ưu và nhược điểm của pin Lithium ion là gì?
Ưu điểm của pin Lithium ion
So với các công nghệ pin sạc chất lượng cao khác (nickel-cadmium hoặc nickel-metal-hydride), pin Li-ion có một số ưu điểm:
- Chúng có mật độ năng lượng cao nhất so với bất kỳ công nghệ pin nào hiện nay (100-265 Wh / kg hoặc 250-670 Wh / L).
- Tế bào pin Li-ion có thể cung cấp tới 3,6 Volt, cao gấp 3 lần so với các công nghệ như Ni-Cd hay Ni-MH. Điều này có nghĩa là chúng có thể cung cấp một lượng lớn dòng điện cho các ứng dụng năng lượng cao,
- Pin Lithium-ion cũng có khả năng bảo trì thấp và không yêu cầu lịch trình để duy trì tuổi thọ pin của chúng.
- Pin Li-ion không có hiệu ứng bộ nhớ, một quá trình bất lợi trong đó chu kỳ sạc / xả cục bộ lặp đi lặp lại có thể khiến pin ‘ghi nhớ’ dung lượng thấp hơn. Đây là một lợi thế so với cả Ni-Cd và Ni-MH, hiển thị hiệu ứng này.
- Pin Li-ion cũng có tỷ lệ tự xả thấp, khoảng 1,5-2% mỗi tháng. Chúng không chứa cadmium độc hại nên dễ thải bỏ hơn pin Ni-Cd.
- Pim Lithium ion nhẹ hơn nhiều so với các loại pin sạc khác có cùng kích thước do các điện cực của pin Lithium ion được làm bằng Lithium và carbon nhẹ
Nhược điểm của pin Lithium ion
Bất chấp những hứa hẹn về công nghệ, pin Li-ion vẫn còn một số thiếu sót, đặc biệt là về độ an toàn.
- Pin Li-ion có xu hướng quá nóng và có thể bị hỏng ở điện áp cao nên yêu cầu phải có mạch bảo vệ.
- Pin Li-ion yêu cầu cơ chế an toàn để hạn chế điện áp và áp suất bên trong, điều này có thể làm tăng trọng lượng và hạn chế hiệu suất trong một số trường hợp.
- Một yếu tố khác hạn chế việc áp dụng rộng rãi của chúng là chi phí cao.
- Cuối cùng, mặc dù mật độ năng lượng cao của Li-ion so với các loại pin khác, chúng vẫn có mật độ năng lượng thấp hơn xăng khoảng một trăm lần (chứa 12.700 Wh / kg theo khối lượng hoặc 8760 Wh / L theo thể tích).
Ứng dụng pin Lithium ion cho lưu trữ điện mặt trời
Với sự phong phú và phân bố rộng rãi, các nguồn tái tạo đã trở thành một trong những lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất để phát điện trong lưới điện. Những năm gần đây, sự phát triển đáng kể của các nguồn tái tạo có thể thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống lưu trữ năng lượng điện và đòi hỏi chúng phải linh hoạt hơn. Hệ thống pin lithium ion có thể lưu trữ hiệu quả điện năng được tạo ra từ các nguồn tái tạo, góp phần vào sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống lưới điện, từ đó thúc đẩy việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo.
Các hệ thống điện mặt trời được hưởng lợi từ pin lithium để lưu trữ năng lượng điện và làm mượt công suất đầu ra. Một trong những thách thức chính đối với việc phát điện quang điện mặt trời là không liên tục vào ban đêm và trong thời gian ánh sáng mặt trời bị chặn. Sự kết hợp với pin lưu trữ tạo thành một hệ hoàn hảo có thể đối phó với mức tăng đột biến điện áp cao và các yêu cầu về nguồn điện ở trạng thái ổn định. Việc sử dụng pin trong hệ thống điện mặt trời giúp ổn định công suất đầu ra, đặc biệt là dưới bóng râm một phần và bức xạ mặt trời.
Trong số các công nghệ pin khác nhau, pin lithium ion đã thu hút được sự quan tâm đáng kể như các thiết bị hỗ trợ trong lưới điện vì những ưu điểm vượt trội của chúng, đó là mật độ năng lượng tương đối cao (lên đến 200 Wh / kg), hiệu suất năng lượng (EE) cao (hơn 95%) , và vòng đời dài (>3000 chu kỳ khi xả sâu 80%)
Mặc dù có tiềm năng ứng dụng, pin lithium còn một số thách thức cần được giải quyết như: Cần phải cắt giảm đáng kể chi phí để thúc đẩy tăng trưởng đồng thời xây dựng một kế hoạch thu gom và tái chế pin lithium ion hiệu quả.
Xem thêm:
Tìm hiểu: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của pin Lithium ion
Tìm hiểu: Pin lưu trữ năng lượng mặt trời có thể tái chế được không?
Tiêu chuẩn UN38.3 về vận chuyển pin Lithium ion
Tiêu chuẩn IEC 63056: 2020 “Tế bào thứ cấp và pin lithium sử dụng trong hệ thống lưu trữ năng lượng điện
