Tài liệu Tìm hiểu tổng quan về pin lithium ion

Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại và trong tuơng lai của con người. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng sạch, không gây ra tác hại với môi trường. Có nhiều biện pháp được đưa ra để đáp ứng những yêu cầu đó như sử dụng các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió…và một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng, có thể tích trữ điện năng nhờ các loại pin hoặc ăcquy. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết bị không dây ( máy tính xách tay, điện thoại di động …) Để đảm bảo các thiết bị hoạt động đuợc tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt gọn nhẹ, an toàn. Việc ra đời các loại pin đã đáp ứng được phần nào các yêu cầu trên. Trong nhiều năm NiCd ( Nikel Cadimium ) là loại duy nhất thích hợp. Nửa đầu những năm 90 của thế kỉ trước, trên thị trường bắt đầu xuất hiện pin NiMH ( Nikel Metal Hydride ) do NiCd gây ô nhiễm môi trường. Và từ năm 2000 pin NiMH được thay thế dần bằng pin Lithium ion ( Li-ion ). Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng cường, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6% 1 8%. Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng những công trình khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao chất lượng của pin và giảm giá thành sản phẩm.Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đi vào: “tìm hiểu tổng quan về pin Lithium ion’’ 2. Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Hiểu rõ hơn quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên các điện cực. - Đưa ra được cái nhìn tổng quan về pin Li-ion. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Khóa luận nghiên cứu tổng quan về Pin Li-ion bao gồm: - Cấu tạo của pin. - Quá trình điện hóa và các phản ứng xảy ra trên mỗi điện cực. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Có những hiểu biết cơ bản về loại pin này và những triển vọng phát triển cửa nó trong tương lai. 2 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học NỘI DUNG Chương 1- TỔNG QUAN Pin Lithium ion là một loại pin thứ cấp. Các bộ pin Li-ion bao gồm những pin sử dụng hợp chất của Lithium như vật liệu làm điện cực âm và dương. Trong một chu trình, ion Li + được trao đổi giữa các điện cực âm và dương. Vật liệu làm điện cực dương là oxit kim loại điển hình với cấu trúc dạng lớp, như Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), hoặc vật liệu với cấu trúc dạng đường hầm, như Lithium Manganese Oxide ( LiMn 2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm. Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon, cũng là vật liệu có cấu trúc dạng lớp, phủ trên một cực góp điện. Trong quá trình nạp/phóng điện, những ion Li+ được điền vào hoặc tách ra từ khe hở giữa những lớp nguyên tử phía trong những vật liệu hoạt động. Những loại pin đầu trên được thương phẩm hóa và đa số thuộc những dòng khả dụng, dùng LiCoO2, như vật liệu làm điện cực dương. LiCoO2 cho tính năng điện tốt, dễ chế tạo, tính an toàn cao và tương đối không nhạy cảm với những quá trình biến đổi và độ ẩm. Gần đây nhữnh vật liệu có giá thành thấp hơn, hoặc hiệu suất cao hơn, như LiMn 2O4 hoặc LiNi1-xCoxO2 đã được đưa vào để sử dụng, cho phép chế tạo những pin, bộ pin với tính năng được cải tiến. Than cốc được sử dụng làm điện cực âm cho nững pin thương phẩm đầu tiên. Khi được cải tiến glaphite trở nên khả dụng, ngành công nghiệp đã dùng glaphite làm điện cực âm, chúng cho dung lượng đặc trưng cao hơn, với thời gian hoạt động và tốc độ nạp được cải tiến. Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển bởi công ty Cổ phần R & D từ đầu những năm 90, và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm. Lợi nhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000. 3 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến 2005. Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năng cao, công nghệ an toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm. Hình 1: Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin Lihium ion. Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên một mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau. Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah). Hiện nay pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dò mìn ... và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh .... Pin Li - ion cho tốc độ tự phóng điện thấp ( 2% 8% mỗi tháng ) và có dải nhiệt độ hoạt động rộng ( nạp điện ở nhiệt độ từ -20 0C 4 600C, Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học phóng điện được ở nhiệt độ từ -400C 650C ) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của pin Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin. Pin Li-ion có thể cho khả năng tốc độ cao. Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc tốc độ xung là 25C. Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định. Những ưu, nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng dưới đây: Bảng 1: Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion. Ưu điểm -Kín, không cần bảo trì. Nhược điểm -Giá trung bình ban đầu. -Chu kỳ sống dài. -Giảm khả năng ở nhiệt độ cao. -Dải nhiệt độ hoạt động rộng. -Cần phải bảo vệ hệ thống mạch -Thời gian hoạt động dài. điện. -Tốc độ tự phóng chậm. -Dung lượng bị giảm hoặc nóng -Khả năng nạp nhanh. lên khi bị quá tải. -Khả năng phóng điện có tốc độ và -Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi công suất cao. bị ép. -Hiệu quả năng lượng, điện lượng -Thiết kế dạng trụ điển hình cho cao. mật độ năng lượng thấp hơn NiCd -Năng lượng riêng và mật độ năng hoặc NiMH. lượng cao. -Không có hiệu ứng nhớ. Hiện nay các công trình nghiên cứu về Pin Li-ion vẫn tiếp tục được tiến hành và trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực 5 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp. 6 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Chương 2 - PIN DẪN ION LITIUM 2.1. Cấu tạo Cấu tạo của một pin Li-ion bao gồm một điện cực dương và một điện cực âm được ngăn cách bởi một màng ngăn xốp polyethylene hoặc polypropylene dày từ 16µm đến 25µm. Điện cực dương gồm một vật liệu hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 25µm, với độ dày đặc trưng tổng cộng khoảng 180µm. Điện cực âm bao gồm vật liệu carbonaceous hoạt động phủ lên một lá đồng dày từ 10µm đến 20µm, với độ dày tổng cộng khoảng 200µm. Màng ngăn xốp và lớp phủ đòi hỏi mỏng vì hệ số dẫn trong chất điện phân khô thấp, khoảng 10ms/cm, và sự khuếch tán ion Li+ trong vật liệu điện cực dương và âm chậm, khoảng 10 -10m2s-1. Vỏ được dùng như một terminal âm thì điển hình là thép tráng Nikel; khi được sử dụng như terminal dương, vỏ điển hình là nhôm. Hầu hết những pin được thương phẩm hoá sử dụng phần đầu để hợp nhất những phần rời rạc, được hoạt hoá bởi áp suất hoặc nhiệt độ, như thiết bị PTC, và có một lỗ thông an toàn. Hình 2: Cấu tạo chi tiết phần đầu của pin với bộ ngắt và cơ cấu lỗ an toàn cho những sự nâng cao bất thường của áp lực bên trong. 7 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học 2.1.1. Pin Li-ion dạng trụ Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau: Hình 3: Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ. Để ứng dụng trong những lĩnh vực đặc biệt hoá, chuyên môn hoá, như trong vệ tinh, những pin ống lớn được phát triển. Những pin "25Ah" được phát triển bởi Blue Star Advanced Technology, được miêu tả trong hình sau: 8 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Hình 4: Những pin Li-ion trụ "25Ah". Những sản phẩm này dùng LiCoO2 làm cực dương và graphite làm cực âm. Khối lượng của những bộ phận cấu thành chính của một pin (29Ah) được mô tả trong bảng sau: Bảng 2: Bảng phân tích khối lượng của Pin 29Ah.trụ Tỉ lệ trong tổng Bộ phận cấu thành Khối lượng (g) Vỏ Nắp Chất điện li Điện cực dương Điện cực âm Tạp chất 108,5 15,5 217,9 339,2 165,0 43,4 khối lượng pin (%) 12,2 1,8 24,5 38,1 18,5 4,9 Tổng thể 889,5 100 2.1.2. Pin Li-ion lăng trụ phẳng Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên bản trụ, chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm trụ. 9 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Hình 5: Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ. Vỏ của pin sử dụng thép tráng Nikel hoặc thép không gỉ 304L. Vỏ được phủ kín bằng một trong hai cách điển hình: TIG hoặc hàn bằng máy laser. 10 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Hình 6: Phần đầu và các điện cực của pin Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà). 2.2. Các vật liệu chế tạo pin Li-ion 2.2.1. Các vật liệu điện cực dương Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn ... hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M. Pin Liion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO 2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo. Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2. Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu sau: - Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium. - Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium. - Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+. - Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn. - Dẫn điện tốt. - Không tan trong dung dịch điện li. - Giá thành rẻ. 2.2.1.1. Đặc trưng của các vật liệu làm điện cực dương Tính đa dạng của các vật liệu làm điện cực dương ngày càng được phát triển và nhiều loại trong chúng khả dụng với thị trường. Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương nói chung được thống kê trong bảng sau: Bảng 3: Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương. 11 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Dung Loại vật liệu LiCoO2 LiNi0,7Co0,3O2 LiNi0,8Co0,2O2 LiNi0,9Co0,1O2 LiNiO2 LiMn2O4 lượng Thế riêng trung (mAh/g) 155 190 205 bình (v) 388 370 373 220 376 200 355 120 400 Ưu - Nhược điểm Thông dụng, giá Co đắt. Giá thành trung bình. Giá thành trung bình. Có dung lượng riêng cao nhất. Phân li mạnh nhất. Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li. 2.2.1.2. Cấu trúc tinh thể Những nghiên cứu về các vật liệu làm điện cực dương cho thấy chúng có nhiều cấu trúc khác nhau tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của các ion dương. Qua các công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy: Các hợp chất LiMO2 (M = Ni, Co, ...) và LiNi1-xCoxO2 có cấu trúc dạng lớp, trong đó có nguyên tử Co hoặc Ni tập trung ở các vị trí hốc bát diện trong mạng Oxi. Hợp chất LiMn 2O4 (spinel) trong đó các ion Li + nằm ở các vị trí hốc bát diện còn các ion Mn 3+ chiếm vị trí các ô tứ diện trong phân mạng tạo bởi các nguyên tử oxi. Ô nguyên tố của các hợp chất này có cấu trúc dạng trực thoi thuộc nhóm không gian Pmnm. Các hợp chất LiMO2 đều có cấu trúc trực thoi R3m, các vật liệu này có khả năng thực hiện quá trình hấp thụ và giải phóng ion Li + do vậy đã và đang được sử dụng làm điện cực dương cho pin nạp lại (pin thứ cấp) Li-ion. 12 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn2O4 và LiCoO2: Hình 7: Cấu trúc mạng tinh thể của LiMn2O4 và LiCoO2. Trong các vật liệu có cấu trúc loại α-LiFeO2 các ion Li+ và Fe3+ sắp xếp một cách tự do trong các hốc bát diện. Ô nguyên tố của hợp chất này có dạng lập phương với nhóm không gian Fm3m. Với cấu trúc loại γ LiFeO2 các ion Li+ và Fe3+ sắp xếp một cách trật tự trong các hốc bát diện làm giảm tính đối xứng từ mạng lập phương (Fm3m) thành dạng tứ giác xếp chặt với nguyên tố bằng hai ô nguyên tố của α-LiFeO2 xếp chồng lên nhau. Trong đó các ion dương Fe 3+ và Li+ chiếm các vị trí hốc tứ diện, các ion âm O2- chiếm vị trí các hốc bát diện. Ngoài ra, các loại cấu trúc trên có thể chuyển hoá lẫn nhau tuỳ thuộc vào các điều kiện chế tạo hoặc quá trình xử lý nhiệt. Ví dụ, cấu trúc αLiFeO2 khi nung trong không khí trong khoảng nhiệt độ từ 300 0C 5000C sẽ chuyển thành cấu trúc γ - LiFeO2. Ngoài ra còn có cấu trúc β với các kiểu cấu trúc khác nhau là đơn tà và hai pha tứ giác. Trật tự điện tích dương trong pha đơn tà đã được xác định nhưng trong hai pha tứ giác lại chưa xác định được. Kí hiệu β' được sử dụng cho pha đơn tà, còn các kí hiệu β* và 13 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học β" được sử dụng cho hai pha có cấu trúc tứ giác nhưng khác nhau tỉ số c/a. Nói chung, các pha α, β*, β', β" đều là biến thể của LiFeO2. 2.2.1.3. Đặc trưng nạp / phóng ( tích/ thoát ) ion Liti của vật liệu catốt Đặc trưng thế và dung lượng riêng của LiMn 2O4, LiCoO2 và LiNi0,8Co0,2O2 trong quá trình nạp và phóng đầu tiên (tốc độ C/20) như sau: Hình 8: Điên áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình nạp đầu tiên ở 250C (tốc độ C/20). 14 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học HÌnh 9: Điện áp và dung lượng riêng của vật liệu điện cực dương trong quá trình phóng đầu tiên (tốc độ C/20). Mặc dù LiMn2O4 cho điện thế cao nhất (4,0V), nhưng lại có dung lượng thấp nhất (khoảng 120mAh/g). LiNi1-xCoxO2 có điện áp trung bình thấp nhất (khoảng 3,75V) nhưng lại có dung lượng cao nhất (khoảng 205 mAh/g); LiCoO2 thì ở khoảng giữa (điện áp 3,88V, dung lượng khoảng 155 mAh/g). Ta thấy rằng LiCoO2 là hợp chất có dung lượng tốt và điện thế cao, tuy nhiên Coban là kim loại có giá thành cao, do đó phải tìm chất khác có thể thay thế coban có giá rẻ hơn nhưng lại vẫn phải đảm bảo được các yêu cầu về thế, dung lượng ... đồng thời nâng cao chất lượng của sản phẩm. Trong quá trình nạp, những hợp chất LiNi1-xCoxO2 cho điện thế đồng dạng, hàm lượng coban được rút gọn, dung lượng cao hơn, trên 220mAh/g. Khuynh hướng này cũng được thấy trong quá trình phóng điện. Mỗi loại hợp chất đều có ưu và nhược điểm. Các hợp chất LiNi 1CoxO2 (x = 0,1; 0,2; 0,3) được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn cả do x các hợp chất này, thay thế được một phần Coban mà vẫn đảm bảo được chất lượng và các yêu cầu đối với các vật liệu sử dụng làm điện cực dương. Sự tổng hợp tính chất và tính năng điện hoá của hợp chất LiNi 1-xCoxO2 trong quá trình nạp điện, phóng điện và sự tổn hao dung lượng, tính ổn định nhiệt của chúng đã được công bố. 2.2.2. Các vật liệu dùng làm điện cực âm Loại pin Li-ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm. Vật liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g, và bền trong dung dịch propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB) carbon. MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn, 300 mAh/g, và diện tích bề mặt nhỏ, vì vậy việc làm 15 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao. Mới đây, các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá. Một số pin dùng g raphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite. 2.2.2.1. Cấu trúc tinh thể Cấu trúc mạng của graphite carbon thuộc dạng lớp các nguyên tử cacbon được lai hoá trong liên kết đồng hoá trị dạng lục giác với nhau trong cấu trúc ABABAB (2H) thành từng lớp xếp chồng lên nhau, hoặc cấu trúc trực thoi ABCABC (3R) cũng có dạng từng lớp xếp chồng lên nhau. Hình 10: Cấu trúc dạng lục giác của mạng carbon, những cấu trúc mạng của graphite 2H, 3R. Hầu hết các vật liệu này chứa đựng sự rối loạn bao gồm cấu trúc 2H và 3R xếp chồng lên nhau một cách ngẫu nhiên. Các mẫu carbon đã được phát triển với một dải của những chồng xếp không trật tự và những hình thái học khác nhau. Graphite carbon dạng lục giác là pha có sự ổn định nhiệt động tốt hơn so với dạng trực thoi mặc dù sự sai khác Enthanpy giữa hai loại cấu trúc 2H và 3R chỉ là 0,6KJ/mol. Hai pha này có thể chuyển hoá cho nhau bằng cách nghiền (2H ⇒ 3R) hoặc nung nóng lên tới nhiệt độ 10500C (3R ⇒ 2H). 2.2.2.2. Đặc trưng nạp/ phóng (tích/ thoát) ion Liti của vật liệu anốt 16 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Graphit có thể chứa đựng ion cực đại là một nguyên tử Lithium trên 6 nguyên tử carbon trong điều kiện áp suất khí quyển với dung lượng lý thuyết là 372mAh/g. Các ion Li+ được điền kẽ vào cấu trúc mạng graphite thông qua các sai hỏng mạng nằm ở các mặt phẳng lục giác hoặc thông qua các mặt phẳng cạnh. Cấu trúc dạng lớp của graphite carbon không bị thay đổi khi có các ion Liti điền kẽ vào. Bản chất của quá trình tách và điền kẽ này chính là quá trình phóng và quá trình nạp. Đặc trưng quá trình phóng và nạp chu kỳ đầu tiên của than cốc và graphite carbon được biểu diễn như sau: Hình 11: Điện áp, dung lượng quá trình phóng và nạp trong chu kỳ đầu tiên của thanh cốc (a) vật liệu graphite nhân tạo (b). 17 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học So sánh quá trình phóng - nạp của graphite carbon và than cốc thấy rằng: Hiệu suất của quá trình phóng nạp của graphite cao hơn và có dung lượng cao hơn so với than cốc. Với ưu thế là giá thành rẻ và có nhiều trong tự nhiên, do đó, grapite carbon được sử dụng rộng rãi hơn. Trong thời gian gần đây, các loại carbon cứng cũng đang được nghiên cứu và đưa và sử dụng do có dung lượng lớn và tính ổn định cao so với các loại carbon đã được nghiên cứu. 2.2.2.3. Các tính chất của các loại carbon Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trong bảng sau: Bảng 4: Đặc trưng của các loại carbon. Dung Carbo n Loại Dung lượng Kích lượng Không thước riêng đảo ngược phần tử mAh/g) được KS6 (mAh/g) 60 Graphite tổng hợp 316 18 (D50µm) 6 Diện tích bề mặt (m2/g) 22 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học KS15 KS44 MCM Graphite tổng hợp 350 Graphite tổng hợp 345 Graphite cầu B2528 MCM 190 45 15 44 14 10 305 19 26 0,86 290 30 10 2,64 152 0,075 30 55 45 N/A 104 45 6,7 35 23 11 215 N/A 40 Graphite cầu B1028 Sterlin Graphitized 200 g 2700 Carbon đen XP 30 Peteoleum coke 220 Repsol Than cốc dạng 234 LQNC kim Grask Sợi carbon 363 er Sugar Carbon cứng 575 carbon 2.2.3. Các chất điện li Có bốn loại chất điện li được sử dụng trong pin Li-ion: chất điện li dạng lỏng, các chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm. Chất điện li dạng lỏng: là những muối chứa ion Li + (LiPF6, LiClO4) được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC). Chất điện li dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hoà tan muối và dung môi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel.Chất điện li dạng polime: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự hoà tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn. Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+. 19 Khoá luận tốt nghiệp đại NGUYỄN MINH NGUYỆT - K30b Lý học Mỗi loại chất điện li có các ưu điểm khác nhau. Nhưng nói chung, các chất điện li này phải có khả năng dẫn ion Li + tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí … Hầu hết chất điện li trong pin Li-ion dùng muối LiPF 6 do muối này có độ dẫn ion cao (lớn hơn 10 -3S/cm), hệ số dẫn ion Li+ trong chất điện li cao (khoảng 0,35) và bền trong quá trình điện hoá, ít bị ô nhiễm. Bên cạnh đó,có nhiều muối khác cũng được quan tâm, nổi bật là LiBF 4, ngoài ra có các muối khác LiClO4, LiCF3SO3 ... nhưng ít được dùng do kém bền hơn và có nồng độ ion Li+ thấp hơn so với LiPF6. Để tăng khả năng dẫn ion Li + trong chất điện li của các pin Li-ion có thể sử dụng hỗn hợp gồm các dung môi hữu cơ pha trộn theo một tỉ lệ thích hợp. các dung môi thường dùng là: ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) và diethyl carbonate (DEC), methyl Acetate (MA). Các nghiên cứu đã được công bố cho thấy LiPF6 với nồng độ 1M hoà tan trong dung môi EC: MA theo tỉ lệ 1:1 sẽ tạo thành dung dịch có độ dẫn cao (lớn hơn 10-3S/cm). 2.2.3.1. Các muối thường dùng trong chất điện phân cho pin Li –ion Bảng 5: Muối dùng trong chất điện li cho pin Li-ion. Khối Tên • lượng Công thức phân hoá học tử Các tạp chất (g/mol) 151,9 H2O Lithium Li PF6 hexafluorophosphate 20 Nhận xét Thường (15ppm) được HF dụng. sử