Pin Lithium ion là gì? Những kỹ thuật phân tích đặc tính điện hóa của pin

Xu hướng sử dụng những phương tiện chạy điện đang tăng nhanh nhằm giảm thiểu lượng khí thải carbon dioxide (CO₂). Khí nhà kính này là kết quả của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và là tác nhân gây biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu. Do đó, nghiên cứu về pin tập trung vào việc khám phá các vật liệu mới với năng lượng và mật độ năng lượng cao hơn cũng như lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn. 

Bài viết sẽ giới thiệu về những nội dung sau:

1. Pin Lithium ion là gì?
2. Kỹ thuật phân tích các đặc tính điện hóa của pin lithium ion

1. Pin Lithium ion là gì?

Ngày nay, pin lithium ion (hay còn gọi là pin Li-ion) là loại pin sạc phổ biến nhất hiện có trên thị trường. Một pin gồm có cực âm (anode) và cực dương (cathode). Chất điện phân (electrolyte) tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển điện tích dưới dạng các ion Li⁺ giữa hai cực này. Trong khi đó một màng ngăn (separator) được đặt giữa cực dương và cực âm ngăn hiện tượng ngắn mạch. Một mặt cắt ngang ví dụ có thể được nhìn thấy trong Hình 1.

Anode được làm từ than chì chứa Lithium xen kẽ được phủ lên một lá đồng, trong khi cathode bao gồm các ôxít kim loại chứa ion Li⁺ được phủ lên một lá nhôm. Các kim loại chuyển tiếp phổ biến nhất được sử dụng trong vật liệu cathode là coban, niken, mangan hoặc sắt. Chất điện phân là một dung môi aprotic khan có chứa muối lithium (ví dụ, lithium hexafluorophosphate) để tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích. Màng ngăn được điều chế từ một vật liệu xốp, hoạt động như một chất cách điện để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch. Cấu tạo của tất cả các thành phần này có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của pin.

• Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT)

Một trong những kỹ thuật đầu tiên cho các nhà nghiên cứu khảo sát các đặc tính của vật liệu điện cực pin là Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT). Thường được tiến hành trên một nửa cell (half-cell), kỹ thuật này là một chuỗi các nhiễu động dòng điện theo sau là thời gian hồi phục, cung cấp thông tin về các đặc tính nhiệt động học và vật liệu điện cực bao gồm cả hệ số khuếch tán tới hạn. Tất cả thông tin này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về đặc tính điện hóa được mong đợi ở vật liệu.

Nếu bạn đang tìm kiếm thêm thông tin về chủ đề này, hãy tải xuống ghi chú ứng dụng AN-BAT-003 miễn phí của chúng tôi.

Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT)

• Potentiostatic Intermittent Titration Technique (PITT)

Potentiostatic Intermittent Titration Technique (PITT) tương tự như kỹ thuật GITT được trình bày chi tiết ở trên, nhưng thiết bị điện hóa PGSTAT được vận hành ở chế độ thế tĩnh (potentiostatic). Một chuỗi các nhiễu động bước thế được đặt vào hệ thống và dòng điện được đo dưới dạng một hàm số của thời gian. Cả GITT và PITT đều có khả năng xác định hệ số khuếch tán một cách chính xác.

Muốn tìm hiểu thêm? Tải xuống ghi chú ứng dụng AN-BAT-004 miễn phí của chúng tôi!

Potentiostatic intermittent titration technique (PITT)

Khi sử dụng thiết bị điện hóa PGSTAT ở chế độ dòng tĩnh, bạn cũng có thể khảo sát hiệu suất của pin Li-ion bằng cách sử dụng các mức dòng điện khác nhau và sạc và xả trong các chu kỳ khác nhau, được gọi một cách thông tục là «đo chu kỳ». Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu có thể biết được hiệu năng của pin Li-ion khi làm việc ở cường độ dòng điện cao, dung lượng của nó, công suất và mật độ năng lượng liên quan. Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu pin. Quy trình dòng điện không đổi (constant current) - điện áp không đổi (constant voltage) (CC-CV) thường được áp dụng để đảm bảo rằng pin đã được sạc đầy, đồng thời tránh mọi trường hợp pin bị sạc quá mức.

CC-CV là tiêu chuẩn trong công nghiệp để sạc pin Li-ion và thiết bị điện hóa PGSTAT hoạt động ở cả chế độ dòng tĩnh và thế tĩnh cho phép đo này. Quá trình sạc xả được thực hiện trong một vùng thế an toàn mà tại đó chất điện phân ổn định. Bất kỳ sai lệch nhỏ nào so với điện áp giới hạn có thể dẫn đến vòng đời kém.

Tìm hiểu thêm về cách khảo sát hiệu năng của pin lithium ion theo chu kỳ bằng cách tải xuống ghi chú ứng dụng AN-BAT-002 miễn phí của chúng tôi.

Sạc xả pin Li-ion với Autolab

• Phổ trở kháng điện hóa (EIS)

Phổ trở kháng điện hóa (EIS) hay còn gọi là phổ tổng trở cung cấp kết quả bổ sung và do đó giúp ta hiểu rõ hơn về hoạt động và hiệu năng của pin bằng cách sử dụng phương pháp chu kỳ, tiến hành sạc/xả dòng tĩnh và sau đó thêm vào kỹ thuật mạnh mẽ nhất đang được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu pin hiện tại. Với EIS, biểu hiện động học cao của pin và sự khuếch tán của các ion tại các bề mặt tiếp xúc có thể được mô tả. Trong mỗi quy trình thí nghiệm bao gồm một dải tần số rộng, ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý và hóa học chi phối có thể được tách riêng và phân biệt ở một dải tần số và trạng thái tích điện nhất định. Với EIS, có thể đo trở kháng bên trong của pin và lập mô hình mạch điện tương đương để biết được sự đóng góp của các thành phần pin vào tổng trở kháng của cả cell.

Để xác định EIS của pin, điều quan trọng là sử dụng cảm biến 4 cực (4-terminal sensing) để hạn chế sự ảnh hưởng của dây vào tổng trở. Điều này rất quan trọng đối với bất kỳ hệ thống điện hóa có trở kháng thấp nào. Tìm hiểu thêm về nghiên cứu này bằng cách tải xuống Ghi chú Ứng dụng miễn phí phía dưới của chúng tôi.

The importance of using four-terminal sensing for EIS measurements on low-impedance systems

Metrohm Autolab DuoCoin Cell Holder with EIS measurements on a commercial battery

Với EIS, có thể xác định độ uốn xuyên mặt phẳng (through-plane tortuosity of battery electrodes),  của các điện cực pin, cùng với độ dẫn điện tổng thể, số truyền của chất điện phân trong pin Li-ion, và hệ số khuếch tán của chất điện phân là một chỉ dẫn tốt về tính thực tế của một số đặc tính hóa học pin cho các ứng dụng công suất cao. Ngoài ra, hạn chế trong truyền khối của màng ngăn pin và độ dẫn ion của nó đóng một vai trò quan trọng trong hiệu năng tổng thể của pin.

Tải xuống Ghi chú Ứng dụng miễn phí của chúng tôi bên dưới để biết thêm thông tin về các chủ đề này.

Determination of the Through-Plane Tortuosity of Battery Electrodes by EIS in a symmetric Lithium-iron-phosphate cell

Determination of the Lithium Ion Transference Number of a Battery Electrolyte by VLF-EIS

Determination of the binary diffusion coefficient of a battery electrolyte

Determination of the MacMullin number

Tải xuống tài liệu miễn phí «Hướng dẫn Nghiên cứu và Phát triển Pin Li-ion» được viết bởi các nhà cải tiến thiết bị điện hóa tại Metrohm Autolab. Tài liệu này cung cấp thông tin bổ sung về các kỹ thuật điện hóa áp dụng và cung cấp các định nghĩa hữu ích cho các thuật ngữ liên quan đến nghiên cứu và phát triển pin Li-ion.

Hướng dẫn Nghiên cứu và Phát triển Pin Li-ion