Chia sẻ bài viết
Thay thế các phương tiện chạy bằng nhiên liệu truyền thống bằng các phương tiện chạy bằng pin là điều cần thiết để giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO₂). Đây là loại khí nhà kính sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, do đó việc hạn chế lượng khí này thải ra bầu khí quyển cũng sẽ góp phần làm giảm hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Quá trình sản xuất pin cho xe điện và các thiết bị sạc lại khác (ví dụ: điện thoại di động hoặc máy tính xách tay) đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và thử nghiệm để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Trong khi đó, nghiên cứu về pin tập trung vào việc khám phá các vật liệu pin mới có mật độ năng lượng và công suất cao hơn, cũng như khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn.
Bài viết sẽ giới thiệu Pin Lithium ion là gì, tìm hiểu thêm về các thông số phân tích quan trọng trong sản xuất pin lithium và nghiên cứu pin, cũng như cách xác định chúng bằng công nghệ của Metrohm.
Bài viết gồm những nội dung sau
1. Pin Lithium ion là ?
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.
Sau phần tổng quan ngắn gọn về thành phần của pin lithium-ion, hãy cùng tìm hiểu một số thông số quan trọng và cách chúng có thể được phân tích.
2. Hàm lượng nước trong nguyên liệu sản xuất pin Lithium ion
Pin lithium-ion cần phải không chứa nước (nồng độ H₂O nhỏ hơn 20 mg/kg), vì nước sẽ phản ứng với muối dẫn điện (ví dụ: LiPF₆) để tạo thành axit hydrofluoric độc hại. Chuẩn độ Karl Fischer theo phương pháp điện lượng (coulometric Karl Fischer titration) là phương pháp lý tưởng để xác định hàm lượng nước ở mức vết. Việc xác định nước trong mẫu rắn được thực hiện bằng Karl Fischer oven method – độ ẩm còn lại trong mẫu sẽ được bay hơi và chuyển vào bình chuẩn độ, nơi nó được chuẩn độ ngay sau đó.
Chuẩn bị mẫu tự động cho Karl Fischer Titrando
Nguyên lý hoạt động và những ưu điểm của phương pháp KF oven được mô tả chi tiết hơn trong bài viết blog dưới đây:
Oven method for sample preparation in Karl Fischer titration
Để biết thêm chi tiết về cách xác định hàm lượng nước trong các thành phần pin sau đây, vui lòng tải xuống miễn phí Tài liệu Ứng dụng (Application Bulletin) bên dưới:
- Nguyên liệu thô để sản xuất pin lithium-ion
- Hỗn hợp phủ điện cực (slurry) cho lớp phủ anot và catot
- Các lá anot và catot đã phủ, cũng như màng ngăn và các lớp lá đã đóng gói
- Chất điện giải cho pin lithium-ion
3. Thành phần kim loại chuyển tiếp trong vật liệu catot
Catot của pin lithium-ion thường được chế tạo từ các oxit kim loại có nguồn gốc từ coban, niken, mangan, sắt hoặc nhôm. Để sản xuất catot, các dung dịch chứa muối kim loại mong muốn được sử dụng. Để tối ưu hóa quá trình sản xuất, cần phải biết chính xác hàm lượng kim loại có trong dung dịch. Ngoài ra, thành phần kim loại trong vật liệu catot thu được cũng cần được xác định. Chuẩn độ thế (potentiometric titration) là kỹ thuật phù hợp để xác định hàm lượng kim loại trong cả dung dịch ban đầu và vật liệu catot đã hoàn thiện.
Không giống như các phương pháp cạnh tranh khác như ICP-MS hoặc AAS, chuẩn độ không yêu cầu phải pha loãng mẫu. Do đó, kết quả thu được từ chuẩn độ thường đáng tin cậy và chính xác hơn. Hơn nữa, chi phí vận hành và bảo trì cũng thấp hơn đáng kể so với ICP-MS hoặc AAS.
Các hỗn hợp kim loại hoặc oxit kim loại sau đây có thể được phân tích bằng phương pháp chuẩn độ thế:
- Niken, coban và mangan trong dung dịch
- Niken, coban và mangan trong vật liệu catot như lithium nickel manganese cobalt oxide (NCM), lithium cobalt oxide (LCO) hoặc lithium manganese oxide (LMO)
Để biết thêm chi tiết về phân tích hỗn hợp niken, coban và mangan bằng phương pháp chuẩn độ thế, vui lòng tải xuống miễn phí Tài liệu Ứng dụng dưới đây.
Analysis of Li-ion battery cathode materials made from Co, Ni, and Mn
4. Phân tích muối lithium
Chuẩn độ thế (potentiometric titration) cũng là phương pháp rất phù hợp để xác định độ tinh khiết của các muối lithium. Đối với lithium hydroxide (LiOH) và lithium carbonate (Li₂CO₃), độ tinh khiết được xác định bằng chuẩn độ axit–bazơ trong môi trường nước. Ngoài ra, cũng có thể xác định tạp cacbonat trong LiOH bằng phương pháp này.
Để biết thêm chi tiết về cách thực hiện phép thử đối với LiOH và Li₂CO₃, hãy tải xuống miễn phí Tài liệu Ứng dụng dưới đây:
Định lượng lithium hydroxide và lithium carbonate – Xác định chính xác và đáng tin cậy bằng chuẩn độ thế. Đối với lithium chloride (LiCl) và lithium nitrate (LiNO₃), lithium được chuẩn độ trực tiếp bằng phản ứng kết tủa giữa lithium và fluoride trong dung dịch ethanol.
Lithium in brine – Reliable and inexpensive determination by potentiometric titration
Assay of lithium nitrate – Reliable and fully automated determination by potentiometric titration
Kiến thức về các cation khác có thể có trong muối lithium (và nồng độ của chúng) cũng rất quan trọng. Các cation khác nhau (ví dụ: natri, amoni hoặc canxi) có thể được xác định bằng sắc ký ion (IC). IC là một phương pháp đa thông số, hiệu quả và chính xác để định lượng cả anion và cation trong một dải nồng độ rộng.
Sắc đồ trong Hình 2 cho thấy sự tách riêng của lithium, natri và canxi trong dòng xử lý quặng lithium.
ể biết thêm thông tin chi tiết về cách phân tích này được thực hiện, vui lòng tải xuống miễn phí Tài liệu Ứng dụng sau.
4. Thành phần chất điện giải
Ion lithium chịu trách nhiệm cho việc truyền tải điện tích trong pin lithium-ion. Lithium hexafluorophosphate (LiPF₆) là muối dẫn điện chính. Tuy nhiên, LiPF₆ có xu hướng bị phân hủy ở nhiệt độ cao, hoặc có thể phản ứng với lượng nước vết để tạo thành axit hydrofluoric độc hại. Do đó, các muối lithium borate hoặc muối lithium dựa trên imide thường được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện hiệu suất. Sắc ký ion (IC) cho phép xác định quá trình phân hủy của các loại muối lithium khác nhau trong chất điện giải. Ngoài ra, IC còn có thể được sử dụng để phân tích tạp chất ion ở mức vết. Hơn nữa, mọi bước chuẩn bị mẫu cần thiết (ví dụ: làm giàu mẫu, pha loãng, lọc) đều có thể được tự động hóa bằng các kỹ thuật Metrohm Inline Sample Preparation («MISP»).
Để biết thêm thông tin chi tiết về các ứng dụng IC trong nghiên cứu pin, hãy tham khảo các Tài liệu Ứng dụng sau:
Your knowledge take-aways
White paper: Quality control of analytical parameters in lithium-ion battery production
Battery research and production: Positive experiences with top quality Metrohm equipment!
