Ắc quy lithium là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hiện nay, Ắc quy lithium đã trở thành lựa chọn thay thế cho ắc quy truyền thống nhờ hiệu suất hoạt động tốt hơn, thời gian sạc nhanh hơn, độ bền cao hơn và khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Vậy, cấu tạo của Ắc quy Lithium khác như thế nào so với pin ắc quy truyền thống? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong bài viết dưới đây.

Ắc quy lithium là gì?

Ắc quy lithium đã có mặt trên thị trường từ lâu, tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ về sản phẩm này. Thông thường, người dùng gọi nó là pin Li-on. Điểm nổi bật của ắc quy lithium là khả năng sạc năng lượng khi nguồn điện cạn kiệt.

Hiện nay, pin Li-on được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như điện thoại, máy chụp hình, máy tính, xe điện, xe máy và cả kỹ thuật hàng không. Điều này cũng đang thu hút sự quan tâm của lực lượng quân đội. Sản phẩm này có hiệu suất hoạt động cao và bảo vệ môi trường bằng cách giảm thiểu đào thải kim loại.

Cấu tạo của pin Lithium

Pin Lithium sử dụng điện cực được tạo từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Trong quá trình sạc và xả pin, các ion Li trong các lớp này sẽ di chuyển và điền vào các khoảng trống giữa các lớp, tạo ra phản ứng hóa học và cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Cụ thể, trong quá trình sạc pin Lithium, các ion Li sẽ di chuyển từ cực dương đến cực âm, trong khi đó trong quá trình xả, chúng sẽ di chuyển ngược lại từ cực âm đến cực dương.

Các thành phần của điện cực dương bao gồm LicoO2 và LiMnO4, trong đó phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, ion Lithium sẽ tách ra khỏi cấu trúc để tạo thành ion dương Li+.

Điện cực âm của pin Lithium được làm từ than chì (graphene) và các vật liệu cacbon khác, có nhiệm vụ lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể. Ngoài ra, dung dịch điện giải của pin cần có độ dẫn ion và chất cách điện tốt.

Nguyên lý hoạt động của ắc quy pin lithium

Bình ắc quy pin lithium hoạt động chủ yếu dựa trên sự di chuyển liên tục của ion Lithium giữa hai điện cực. Trong quá trình sạc/xả, dòng ion này phải cân bằng với dòng điện bên ngoài để đảm bảo các điện cực vẫn trung hòa về điện.

Trong quá trình sạc, các nguyên tử Lithium không bị ion hóa sẽ di chuyển từ cực âm đến bộ phân tách và trở lại cực dương. Ở đó, các nguyên tử này sẽ được chèn giữa các phân tử than chì (quá trình xen kẽ – intercalation) và được kích hoạt bằng dòng điện một chiều đến khi đạt dòng định mức. Khi đạt điện áp cuối quá trình sạc, các nguyên tử Lithium sẽ được duy trì khi dòng điện sạc giảm. Điều này giúp hạn chế hỏng hoặc quá nhiệt nhờ trang bị thiết bị sạc điện tử hoặc bảo vệ.

Trong quá trình xả, khi bình ắc quy lithium được kết nối với thiết bị sử dụng năng lượng, nguyên tử Lithium ở cực dương sẽ tách ra một electron. Electron này sẽ được đưa về cực âm thông qua mạch ngoài, trong khi ion Lithium sẽ di chuyển từ cực dương đến chất điện phân và bộ phân tách, sau đó đến cực âm. Các electron khi di chuyển đến cực âm sẽ qua ion kim loại chuyển tiếp và bị ion hóa mạnh mẽ.

Ưu điểm của ắc quy pin lithium so với ắc quy chì

Pin Lithium được phát triển để thay thế cho các loại pin ắc quy truyền thống và mang trong mình nhiều ưu điểm vượt trội. Cụ thể, sự khác biệt giữa hai loại pin này như sau:

• Dung lượng pin: Pin Lithium có mật độ năng lượng cao hơn nhiều lần so với các loại pin ắc quy thông thường và chịu tải tốt hơn. Vì vậy, hiệu suất sử dụng sản phẩm sẽ cao hơn nhiều so với ắc quy.
• Tuổi thọ trung bình: Pin Lithium có độ bền và tuổi thọ cao hơn nhiều so với ắc quy. Với thời gian sử dụng từ 5 đến 7 năm, pin Lithium vượt trội so với ắc quy chỉ sử dụng được khoảng 1 năm.
• Mật độ năng lượng sạc-xả: Pin Lithium sở hữu mật độ năng lượng sạc-xả cao hơn so với ắc quy thông thường, với mật độ 20 Wh/kg và khả năng chịu tải cao. Trong khi đó, mật độ năng lượng sạc-xả của ắc quy chỉ là 32 Wh/kg, với khả năng chịu tải kém.
• Thời gian sạc: Pin Lithium có thời gian sạc nhanh hơn 4 lần so với ắc quy, chỉ mất khoảng 3 đến 4 tiếng để sạc đầy pin Lithium, trong khi ắc quy truyền thống mất khoảng từ 6 đến 8 tiếng. Nếu pin Lithium bị xả quá 50% mà không được sạc, pin vẫn bền bỉ, trong khi ắc quy sẽ bị hỏng hai cực.
• Khả năng chống nước và chống cháy nổ: Pin Lithium có khả năng chống nước và chống cháy nổ tốt hơn so với ắc quy. Ngược lại, ắc quy khá kém trong hai tính năng này.
• Khối lượng: Pin Lithium nhẹ hơn nhiều so với ắc quy, chỉ có cân nặng từ 3 đến 4 kg, trong khi ắc quy lên đến 12 đến 15 kg.

Ắc quy lithium 12V có các loại nào?

Hiện nay, trên thị trường có nhiều bình ắc quy pin lithium khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu tạo nên điện cực. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của mỗi loại vẫn giống nhau. Các loại ắc quy lithium phổ biến hiện nay như:

• Pin Lithium-polymer: Chất điện phân là một màng gốc polymer sệt như gel, giúp có thể sản xuất các loại pin nhỏ dưới 0,1mm. Mức năng lượng cung cấp lên đến 180Wh/kg, nhưng khá nhạy cảm với cơ, điện và nhiệt học.
• Ắc quy pin lithium coban dioxide: Điện cực dương được làm từ lithium coban dioxide, điện cực âm làm bằng than chì. Điểm yếu của loại ắc quy này là tỏa nhiều nhiệt khi quá tải.
• Bình ắc quy Lithium titanate: Thay vì than chì, điện cực âm pin này được làm từ spinel titan lithium trong công nghệ thiêu kết, giúp tăng cường khả năng sạc nhanh và hoạt động tốt ở -40°C.
• Ắc quy liti sắt photphat: Điện cực dương được tạo thành từ hợp kim oxit của sắt, lithium và photphat. Mặc dù có mức năng lượng cung cấp thấp hơn, khoảng 110Wh/kg, nhưng không dễ tỏa nhiệt ra bên ngoài.