Pin lithium là gì?Tìm hiểu chi tiết về công nghệ Pin Lithium ion số 1 hiện nay

Pin Lithium ion đang ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ đặc tính ưu việt, nổi trội. Vậy cụ thể Pin lithium là gì? Chúng có ưu điểm gì so với các dòng pin thông thường? Ứng dụng của công nghệ Pin Lithium trong xe nâng hàng ra sao? Dưới đây là tổng hợp thông tin về Pin Lithium ion cũng như giải mã lý do vì sao dòng Pin thế hệ mới này ngày càng được ưa chuộng và dự báo thay thế các loại thông thường khác.

1. PIN LITHIUM LÀ GÌ? LỊCH SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PIN LITHIUM ION

Hiện nay, xu hướng tìm kiếm và ứng dụng Pin Lithum đang ngày càng được quan tâm. Vậy Pin Lithium là gì? Chúng có lịch sử hình thành và phát triển như thế nào? Dưới đây là những thông tin giải đáp chi tiết.

1.1 Khái niệm Pin Lithium là gì?

Thực chất, đây là một loại pin sạc, còn được gọi là Li-ion hay pin lithi-ion/pin lithium ion (viết tắt là LIB). Với loại pin này, trong suốt quá trình sạc thì các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm và quá trình xả (quá trình sử dụng) lại diễn ra ngược lại.

Công nghệ Pin Lithium được phát triển vô cùng hiện đại với cốt lõi là Ion Lithium và điều đặc biệt của loại này có thể sạc trực tiếp được. Pin Lithium ion thường dùng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds). Khi đó, trong quá trình sạc và xả, các tinh thể ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này và tạo nên phản ứng hoá học tương ứng.

Thông thường, các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2,… và sử dụng cho điện cực dương phổ biến là graphite. Đồng thời, dung dịch điện ly của pin Lithium ion cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia (đồng nghĩa là có khả năng dẫn ion Li). Thế nhưng, yêu cầu khắt khe là dung dịch này hoàn toàn không được dẫn điện.

Hiện tại, công nghệ Pin Lithium ion đang được ứng dụng cho nhiều thiết bị hiện đại như: điện thoại thế hệ mới, xe máy, ô tô, xe nâng,… Chúng hứa hẹn sẽ dần thay thế pin chì – axit, đảm bảo môi trường xanh – sạch, hạn chế tối đa lượng khí thải ra môi trường. Việc ứng dụng Pin Lithium vào các thiết bị chính là bước đi mới cho nền công nghệ hiện đại của toàn cầu.

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ Pin Lithium

Tiền thân cho sự phát triển công nghệ hiện đại Pin Lithium ion chính là nghiên cứu và thử nghiệm của nhà khoa học người Anh tên M. Stanley Whittingham. Vào năm 1970, ông đã thực hiện dự án sử dụng Titan Sulfua và kim loại Lithi làm điện cực để tạo ra loại pin mới. Tuy nhiên, thí nghiệm này đã thất bại và pin mới không thể ứng dụng vào trong thực tiễn. Dự án không chỉ tiêu tốn chi phí vô cùng lớn mà phản ứng tạo ra hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí nên nhà hoá học trên đã phải ngưng lại quá trình sản xuất.

• Năm 1980: Giáo sư vật lý người Mỹ tên John Goodenough đã bắt đầu công trình của mình với sự kết hợp giữa lithium coban oxit, có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dưới dạng ion Li+ để tạo ra loại Pin Lithium ion thế hệ mới.
• Năm 1983: Giáo sư Akira Yoshino của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Đặc biệt, nguyên mẫu này có vật liệu cực dương không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dương trong quá trình sạc. Có thể nói, phát minh này đóng vai trò vô cùng quan trọng, là tiền thân của pin Lithium-ion (LIB) hiện đại như thời nay.
• Năm 1991: Pin Lithium đã được nghiên cứu, thử nghiệm và thương mại hoá bởi Sony Energytec và trở nên phổ biến trên thị trường. Chúng được ứng dụng chủ yếu cho di động và các thiết bị lưu trữ điện UPS trên toàn thế giới, điển hình là ô tô điện.

Hiện tại, Pin Lithium có 4 hình dạng là trụ nhỏ, trụ lớn, dạng túi và hình lăng trụ tương ứng với các loại như: Lithium-Cobalt Oxide, Lithium-titanate, Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide, Lithium-Mangan Oxit  và Lithium-Iron Phosphate. Mỗi loại có những ưu điểm riêng và thích hợp với những thiết bị cụ thể. Vì vậy, khi có ý định chọn mua và sử dụng Pin Lithium ion thì khách hàng nên tìm hiểu kỹ về từng loại cũng như mức độ phù hợp của chúng với thiết bị cụ thể.

2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITHIUM ION

Bên cạnh lịch sử hình thành cũng như khái niệm thì việc tìm hiểu về cấu tạo cũng như các nguyên lý hoạt động của Pin Lithium ion cũng vô cùng quan trọng. Việc nắm rõ những thông tin kể trên giúp người dùng có thể điều chỉnh và sử dụng chúng sao cho phù hợp, đảm bảo phát huy lợi thế của dòng Pin sạc này.

2.1 Cấu tạo của Pin Lithium ion

Cấu tạo của Pin Lithium ion nhìn chung khá đơn giản, chúng bao gồm những bộ phận cơ bản như sau: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện, cụ thể:

• Điện cực dương (Tiếng Anh gọi là Cathode): Vật liệu được sử dụng ở điện cực dương là sự kết hợp giữa LicoO2 và LiMnO4 với cấu trúc phân tử bao gồm Oxide và Coban được liên kết với nguyên tử Lithium. Đây là những vật liệu vô cùng lý tưởng, chúng có nhiệt dung riêng tương đối cao, dung tích lớn với khả năng tự xả thấp, có điện thế xả cao và hiệu suất chu trình tốt. Khi có dòng điện đi qua thì nguyên tử Lithium sẽ nhanh chóng tách khỏi cấu trúc và tạo thành ion dương Li+.
• Điện cực âm (Tiếng anh gọi là Anode): Được tổng hợp từ vật liệu than chì (graphite) và các phân tử cacbon giúp lưu giữ các ion Li+ bên trong tinh thể. Đây là những vật liệu tương đối rẻ, dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion lithi xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon. Điều này giúp quá trình dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10%.
• Bộ phân tách (Còn gọi là màng ngăn cách điện): Bộ phận này trên Pin Lithium ion được làm từ nhựa PE và PP nằm ở giữa cực dương và cực âm. Chúng bao gồm nhiều lỗ nhỏ với chức năng ngăn cách 2 cực nhưng vẫn đảm bảo sẽ cho Li+ đi qua như bình thường.
• Chất điện phân: Chính là chất lỏng nằm ở giữa 2 bản cực và màng phân cách. Chất điện phân bao gồm 2 dung dịch là LiPF6 và dung môi hữu cơ và đóng vai trò như vật dẫn các ion Li+ từ (Đồng nghĩa với môi trường này cho phép các ion Li chuyển dịch từ điện cực này sang điện cực kia).

Có thể nói, chất điện phân đóng vai trò như môi trường để truyền tải các tinh thể ion Li+ giữa 2 đầu cực trong quá trình sạc và sử dụng pin. Như vậy, nguyên tắc trong dung dịch điện ly đảm bảo phải có độ dẫn ion tốt cụ thể như dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng cũng như mức tăng khoảng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C. Điều này giúp đảm bảo pin hoạt động tốt trong các điều kiện môi trường khác nhau.

2.2 Đặc tính của Pin Lithium ion

Với cấu tạo như trên thì đặc tính của Pin Lithium cụ thể như thế nào? Nếu đang có chung câu hỏi trên thì dưới đây sẽ là giải đáp chi tiết mà người dùng cần nắm rõ:

Mức điện áp sạc sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của pin Lithium ion. Theo nhiều nghiên cứu và quá trình thực nghiệm thì pin thường chịu được điện áp tối đa lên đến 4.2 V với chu kỳ sử dụng khoảng 300 – 500 lần nạp – xả. Đặc biệt, hiệu suất sử dụng đạt 100% nếu sạc bằng đúng điện áp 4,2V. Khi này, xảy ra 2 trường hợp:

• Trường hợp 1: Nếu sạc pin với điện áp thấp hơn tiêu chuẩn (4,1V) thì chu kỳ sử dụng có thể tăng lên 600 – 100 lần nhưng hiệu suất chỉ đạt dưới 90%.
• Trường hợp 2: Khi sạc Pin với điện áp thấp hơn nữa (4V) thì chu kỳ sử dụng tăng lên 1.000 – 2.000 và hiệu suất giảm còn dưới 80%.
• Trường hợp 3: Sạc pin với điện áp dưới 3,92V là 2.400 – 4.000 chu kỳ nhưng chỉ còn 75% hiệu suất.

Bên cạnh đó, mối quan hê giữa dung lượng pin và mức độ nạp – xả cũng vô cùng khăng khít. Thông thường, pin lihitum ion sẽ có tuổi thọ cao nếu quy trình nạp – xả diễn ra đúng theo quy định của nhà sản xuất. Trường hợp nếu pin thường xuống dưới mức cáp báo hoặc dưới 0% thì khả năng lưu trữ dần bị giảm và tuổi thọ pin bị hạn chế. Đây cũng là một trong những đặc tính quan trọng của dòng pin thế hệ mới Lithium mà người mua cần đặc biệt lưu ý để sử dụng đúng cách.

2.3 Nguyên lý hoạt động của Pin Lithium ion

Tương tự như các dòng Pin khác thì Lithium hoạt động dựa vào nguyên lý nhất định. Theo đó, bản cực âm và dương đóng vai trò quan trọng trong quá trình điện hoá pin lion. Lúc này, dung dịch điện phân sẽ tạo ra môi trường cần thiết để dẫn chuyển ion Li+ di chuyển giữa 2 đầu cực. Có thể nói, nguyên lý hoạt động cơ bản của dòng Pin này dựa trên có chế nạp – xả (hay chính là sạc pin và sử dụng pin), cụ thể như sau:

• Quy trình xả (sử dụng Pin Lithium ion): Ion Liti mang điện dương sẽ có quá trình di chuyển từ cực âm để đi qua dung dịch điện ly sang bên cực dương. Tại cực dương sẽ xuất hiện phản ứng hoá học với ion Liti. Đồng thời, mỗi khi ion di chuyển từ âm sang dương sẽ ở mạch ngoài, đồng thời có 1 electron cũng chuyển từ âm sang dương tiếp. Điều này sẽ giúp tạo ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm và tạo nên sự cân bằng điện tích ở 2 đầu cực.
• Quy trình nạp (sạc Pin Lithium ion): Khi chịu tác động từ điện áp sạc vào, các phân tử electron sẽ bị buộc chạy từ điện cực dương, trong khi đó thì ion Li lại tách khỏi cực dương để di chuyển trở về cực âm.

Nhìn chung, trong một chu kỳ phóng điện thì những nguyên tử Liti ở cực dương sẽ bị ion hóa và hoàn toàn tách khỏi các điện từ. Đồng thời, phân tủ ion Li+ sẽ bắt đầu di chuyển từ bên dương qua chất điện phân tới cực âm nơi. Tai đây, chúng sẽ kết hợp với các điện từ và tạo ra phản ứng giúp trung hòa về điện.

Có thể nói, Pin Lithium hoạt động theo những nguyên lý nhất định. Việc tìm hiểu kỹ về cấu tạo cũng như nguyên lý làm việc của chúng giúp ích rất nhiều cho việc ứng dụng Pin tLithium vào đời sống cũng như sử dụng đúng cách, đảm bảo hiệu suất hoạt động và tuổi thọ ở mức cao nhất.

Tham khảo: Ắc quy xe nâng là gì? Phân loại, cấu tạo của ắc quy xe nâng

3. ƯU ĐIỂM NỔI TRỘI CỦA CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM ION

So với những loại pin thông thường thì công nghệ Pin Lithium có nhiều ưu điểm vượt trội. Đây cũng chính là lý do vì sao các thiết bị sử dụng Pin Lithium hiện đại thường được ưa chuộng hơn cả. Dưới đây là điểm danh một số ưu thế vượt trội hàng đầu của Pin li ion:

3.1 Điện áp cao

Có thể nói đây là một trong những ưu điểm hàng đầu phải kể đến của dòng Pin tích hợp công nghệ hiện đại này. So với các loại pin khác thì Pin Lithium ion được đánh giá cao về mức điện áp. Thông thường, Pin Lithium dòng đơn thường có mức điện áp trong khoảng từ 3,7V – 3,8V nhưng mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt được là 555Wh/kg (cao hơn từ 3 – 4 lần so với các loại pin Ni-Cd hay Ni-MH). Điện áp cao và mức năng lượng lớn chính là ưu thế hàng đầu khi nói đến dòng Pin Lithium thế hệ mới này.

3.2 Tích hợp sạc siêu nhanh

Đây chính là ưu thế nổi bật số 1, là đặc điểm để phân biệt Pin Lithium ion với các loại Pin thông thường khác. Thông thường, thời gian sạc Pin Lithium được rút ngắn tối đa, chỉ trong khoảng 30 phút có thể tiến hành nạp được 80% dung lượng pin. Tuy nhiên, thời gian cụ thể còn phụ thuộc vào công suất nguồn cũng như mạch sạc,… Tựu chung, một số nghiên cứu, so sánh đã cho thấy thời gian sạc của Lithium thường được rút ngắn gấp nhiều lần so với những loại Pin khác được sử dụng cho từng thiết bị cụ thể.

3.3 Tuổi thọ cao

Tuổi thọ của Pin sạc được tính theo số lần nạp – xả trực tiếp. Thônh thường, các loại Pin có thể đạt mức 500 lần nạp – xả, trong một số trường hợp thậm chí tuổi thọ của pin Lithium ion có thể lên đến mức 2000 lần, thậm chí gấp nhiều lần con số trên ở những loại ắc quy cụ thể. Ngoài ra, một số thiết bị xả dòng nhỏ thì tuổi thọ có thể cao hơn nữa. Nhìn chung, tuổi thọ của pin lithium thường cao gấp 4 – 8 lần các dòng Pin thường. Đây cũng chính là ưu điểm hàng đầu của dòng Pin này so với các loại Pin thông thường.

3.4 Chi phí bảo trì thấp

Không chỉ có tuổi thọ cao mà Pin Lithium ion còn rất hiếm khi phát sinh lỗi hư hỏng, không cần bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên nên chi phí cho hạng mục này được tiết kiệm tối đa. Đây cũng chính là một trong những điểm cộng đáng để nhiều người lựa chọn sử dụng dòng Pin thế hệ mới, vô cùng hiện đại này.

3.5 An toàn khi sử dụng

Ngoài những ưu điểm phía trên thì Pin Lithium còn được đánh giá cao về mức độ an toàn khi sử dụng. Pin Lithium ion thông qua thử nghiệm nhiều lần, đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe về an toàn với người sử dụng, hoàn toàn không thải khí, không gây ô nhiễm, không gây hiệu ứng nhớ. Vì vậy, việc sử dụng loại Pin này đảm bảo độ an toàn cao, là xu hướng “xanh” mà con người đang hướng tới.

3.6 Mức nhiệt độ làm việc rộng

Thông thường, mức nhiệt độ làm việc thích hợp nhất của Pin Lithium thường trong khoảng -25 – 45 độ C. Trong khi đó, một số sản phẩm ới được dự kiến sẽ mở rộng mức nhiệt độ làm việc từ -40 – 70 độ C. Với mức nhiệt rộng như trên có thể giúp dòng Pin này dễ dàng làm việc trong nhiều điều kiện môi trường, tiện ích hơn hẳn so với những loại Pin thông thường.

Tựu chung lại, Pin Lithium có nhiều ưu điểm và hạn chế nhất định, cụ thể:

• Ưu điểm: Pin Lithium ion có tuổi thọ cao, mức nhiệt rộng, điện áp cao, tích hợp sạc nhanh, thân thiện với môi trường, an toàn cho người sử dụng,…
• Nhược điểm: Yêu cầu mạch bảo vệ để đảm bảo điện áp trong mức an toàn, vật liệu hiếm nên chi phí sản xuất cũng như giá bán thường cao hơn thông thường.

Tham khảo: Máy phát điện xe nâng – Các lỗi thường gặp và cách khắc phục

4. PIN LITHIUM ION ỨNG DỤNG TRONG XE NÂNG ĐIỆN HANGCHA

Bên cạnh những thiết bị di động, máy móc,… thì hiện nay Pin Lithium đã được ứng dụng vào xe nâng hàng, mang đến nhiều lợi ích và thu hút sự quan tâm của đông đảo cá nhân và doanh nghiệp. Với hơn 60 năm trong lĩnh vực nghiên cứu, sản xuất và phân phối xe nâng hàng, Hangcha đã nhìn thấy được những lợi ích của công nghệ Pin Lithium ion và tương lai của chúng trong việc cách mạng hoá ngành công nghiệp xử lý vật liệu.

Hangcha là hãng xe nâng số 1 Trung Quốc, là nơi đi tiên phong trong việc ứng dụng Pin Lithium vào xe nâng hàng. Hãng đã hợp tác với CATL (Nhà sản xuất pin lithium ion lớn nhất toàn cầu) để chế tạo nên pin lithium ion chuyên dụng cho thiết bị nâng hạ (xe nâng hàng). Sau quá trình nghiên cứu, toàn bộ dây chuyền thiết bị xử lý vật liệu được cung cấp bởi Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) đã được thử nghiệm hơn 273 lần khác nhau về độ an toàn và độ tin cậy, cho ra đời hàng loạt dòng xe nâng điện sử dụng Pin Lithium thế hệ mới với vô số cải tiến ưu việt.

Một số điểm mạnh của xe nâng điện Lithium đến từ hãng Hangcha phải kể đến như:

4.1 Mật độ năng lượng cao

Pin Lithium ion được sử dụng trong xe nâng hàng của Hangcha đảm bảo mật độ năng lượng GẤP ĐÔI so với pin axit-chì có cùng kích thước thông thường. Đồng thời, việc cung cấp điện áp ổn định trong suốt quá trình xả năng lượng cũng là điểm mạnh giúp nâng cao tuổi thọ cho thiết bị.

4.2 Sạc nhanh trong 2 giờ