Tham dự Tech Lounge

Tham dự Tech Lounge


Natri, Nhôm, Ma-giê, Florua ... và những vật liệu hứa hẹn thay thế Lithium trong pin Li-ion

bk9sw
1/7/2019 9:20Phản hồi: 74
Natri, Nhôm, Ma-giê, Florua ... và những vật liệu hứa hẹn thay thế Lithium trong pin Li-ion
Li-ion (Lithium-ion) là công nghệ pin đang được sử dụng phổ biến trên hầu hết các thiết bị di động có thể sạc lại pin như điện thoại, máy tính xách tay, đồng hồ thông minh … cho đến phương tiện chạy điện. Dù sở hữu nhiều ưu điểm như chi phí sản xuất thấp, lưu trữ được nhiều năng lượng, sạc xả được nhiều lần nhưng pin Li-ion có nguy cơ cháy nổ cao cũng như gây lo ngại ô nhiễm môi trường, chủ yếu đến từ hoạt động hóa chất dùng chế tạo pin. Vì vậy, các chuyên gia đầu ngành vẫn đang tìm kiếm vật liệu thay thế khiến pin an toàn hơn, hiệu suất cao hơn, chi phí rẻ hơn.

Pin_cơ_chế.png.jpg
Về cơ bản mọi cục pin hóa học đều được chế tạo bằng các thành phần cơ bản gồm 2 điện cực và chất điện phân.Trong một cục pin Li-ion thì cực dương được làm bằng các hợp chất chứa Lithium (Li+) thông thường là Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) hay Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4) còn cực âm thường được làm bằng than chì (Graphite). Chất điện phân thì đủ loại tùy vào loại pin, chẳng hạn như pin Li-Po (Lithium-Ion Polymer) dùng chất điện phân polymer dẻo thay vì lỏng như Li-ion thông thường. Lớp điện phần này giống như các tấm nhựa dẻo mỏng đặt giữa cực dương và âm nên pin Li-Po có ưu điểm lớn là dễ thiết kế mỏng, uốn cong được và nhỏ gọn dùng trên nhiều loại thiết bị cỡ nhỏ.

Vậy pin Lithium-ion hoạt động như thế nào?


Li+ có 1 electron tại lớp ngoài cùng và nó có xu hướng cho đi electron này, vì đặc tính này nên Lithium là một kim loại hoạt hóa cao, thả vào nước phản ứng ngay hay thậm chí trong không khí. Và để Lithium ổn định hơn thì trong pin Lithium người ta dùng các loại oxit của Lithium như đã nói ở trên là LiCoO2 hay LiFeO4. Trong cell pin Lithium người ta dùng một chất điện phân có chức năng chỉ cho ion Li+ đi qua và ngăn electron. Khi pin được sạc, điện áp khiến các electron của Lithium tách khỏi cực dương, đi qua mạch điện ngoài về cực âm trong khi các ion Li+ đi qua chất điện phân về cực âm. Cực âm được làm bằng than chì với cấu trúc đa lớp, liên kết hóa học khá lỏng lẻo nên Li+ và electron có thể dễ dàng bám vào và lưu lại. Khi các ion Li+ và electron bám hết vào cực âm thì pin đã được sạc đầy, phần còn lại của cực dương là cấu trúc oxit và việc thiếu ion Li+ khiến cấu trúc bất ổn định.

Khi xả, chẳng hạn như anh em lấy 1 cái bóng đèn đấu dây vào 2 đầu pin cho dễ hình dung thì ion Li+ muốn trở lại trạng thái ổn định ban đầu. Vậy là ion Li+ di chuyển từ cực âm trở về cực dương thông qua chất điện phân và để cân bằng điện tích thì các electron cũng di chuyển theo nhưng thay vì qua chất điện phân, chúng đi qua dây điện, làm sáng cái bóng đèn và về lại cực dương. Thực tế giữa 2 điện cực của pin còn có một lớp màng phân tách (separator) để tránh tình huống chất điện phân bị khô đi, màng ngăn này sẽ không cho electron đi xuyên qua từ đó tránh tình trạng đoản mạch gây cháy nổ pin.

Galaxy_Note7_pin.jpg
Pin Li-ion có thể sạc xả nhiều lần mà ít bị hao mòn cũng như có mật độ năng lượng cao tuy nhiên khi nóng lên, các thành phần bên trong pin Li-ion bị giãn nở nhiều hơn so với các công nghệ pin khác. Do pin Li-ion luôn được đóng kín thành ra nó phải chịu áp lực giãn nở. Thử nhìn lại vụ lùm xùm nổ pin của Galaxy Note 7, Samsung đã cố gắng thiết kế pin mỏng cho chiếc máy này trong khi tăng mật độ năng lượng. Hậu quả là các điện cực và lớp cách ly bên trong không có đủ khoảng trống an toàn. Mỗi lần sạc, pin giãn nở một chút và các điện cực bên trong bị cong gây đoản mạch do tiếp xúc với nhau. Ngoài ra pin Li-ion còn có thể cháy nổ vì tác động bên ngoài, chẳng hạn như tiếp xúc gần với nguồn nhiệt, va đập do rơi vỡ vật lý làm hỏng các màng phân tách, thiết bị sạc không chất lượng khiến pin bị sạc quá tải …

Một nhược điểm nữa của pin Li-ion đó là ô nhiễm môi trường. Như đã đề cập ở trên, pin Li-ion được xem là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, được dùng cho mọi thứ từ điện thoại đến xe điện nhưng việc khai thác hóa chất như Lithium và than chì khiến pin Li-ion không còn thân thiện với môi trường nữa. Trước sự bùng nổ của các loại phương tiện chạy điện thì các dự án nghiên cứu của Cairn Energy Research Advisors cho rằng ngành công nghiệp Lithium sẽ tăng trưởng gần gấp 8 lần trong thập niên tới và giá của loại vật liệu này cũng đã tăng gấp đôi từ 2016 đến 2018.

Ô_nhiễm_than_chì.jpg
Quang cảnh tại một mỏ khai thác than chì làm pin Li-ion tại Trung Quốc. (Ảnh từ phóng sự của Washington Post)
Hoạt động khai thác các hóa chất như Lithium, than chì cũng như các khoáng vật phục vụ cho hoạt động sản xuất pin Li-ion đang gây ô nhiễm nguồn nước, không khí và đất. Vì vậy bản thân pin Li-ion đang gây ra các nguy cơ về môi trường thật sự. Trình trạng này chỉ có thể được cải thiện nếu thay đổi công nghệ. Dưới đây là một vài giải pháp thay thế tiềm năng cho các hợp chất đang được dùng trong pin Li-ion:

Natri (Sodium)


Natri rất dồi dào trong nước biển, gần như là nguồn tài nguyên vô tận và không đòi hỏi nhiều khâu khai thác và trích xuất. Vấn đề ở đây là bạn không chỉ đơn giản là thay Lithium bằng Natri được. Natri có kích thước ion lớn hơn so với Lithium do đó nó không thể nằm lọt giữa các lớp trong mạng carbon của cực âm vốn được làm bằng than chì. Ngoài ra Natri còn có mật độ năng lượng thấp hơn so với Lithium. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu tại đại học Birmingham đã giải quyết được vấn đề này bằng cách thay Phốt pho (Phosphorous) cho than chì ở cực âm và khả năng mang các hạt tích điện cũng gấp 7 lần than chì với cùng khối lượng.

Florua (Fluoride)

Quảng cáo


Flouride-Ion.jpg
Pin Florua có độ bền gấp 8 lần so với pin Lithium nhưng nói thì dễ, làm mới khó bởi Florua là một anion (F-) - một ion mang điện tích âm, mang lại mật độ năng lượng lớn nhưng điện tích âm cũng là lý do khiến nó phản ứng và khó ổn định. Hồi tháng 12 năm ngoái, một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Caltech, JPL, phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và viện nghiên cứu Honda đã tạo ra một chất điện phân lỏng có tên bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE) và nó đã có thể ổn định Florua và khiến Florua hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng.
Ma-giê (Magnesium)

Magnesium.jpg
Ma-giê không chỉ phổ biến hơn Lithium mà nó còn không gây ra dendrit - sợi dẫn điện mỏng hình thành bên trong pin Lithium khiến cell pin giảm tuổi thọ và gây đoản mạch, cháy nổ pin. Trong nhiều thập niên qua thì pin Ma-giê vẫn chưa thể so bì với pin Lithium về mặt công suất và khả năng lưu trữ năng lượng. Nhưng cuối năm ngoái, các nhà nghiên cứu đến từ đại học Houston và viện nghiên cứu của Toyota đã phát hiện ra Clorua (Chloride) - hóa chất thường được dùng làm chất điện phân trong pin Ma-giê là nguyên nhân ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Họ thay thế bằng một loại chất điện phân không Clorua, cực âm làm bằng polymer hữu cơ và cực dương gốc Ma-giê vậy là họ có được một cục pin với mật độ năng lượng, công suất và độ ổn định chưa từng có trên pin Ma-giê xưa nay.

Nhôm (Aluminum)


Pin nhôm được xem là an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn so với pin Li-ion với cực dương bằng nhôm và cực âm bằng than chì. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm biến pin nhôm thành một giải pháp thay thế hoàn hảo cho pin Lithium, chẳng hạn như các nhà khoa học tại đại học Victoria, Wellington và trường hóa học quốc gia Clermont-Ferrand, Pháp đã tìm ra một chất điện phân mới được xem là chìa khóa giúp pin nhôm có thể dễ dàng chế tạo, giá thành thấp và hiệu năng tốt hơn so với pin Lithium.

Pin_Nhôm.jpg
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Empa, Thụy Sĩ đã sử dụng titanium nitride - một vật liệu gốm có đặc tính dẫn cao làm lớp dẫn bao bọc bên ngoài cực dương bằng nhôm từ đó chống sự ăn mòn của các chất điện phân trong thời gian dài. Còn để thay thế cho than chì với vai trò là chất trung gian lưu trữ năng lượng ở cực âm, các nhà nghiên cứu tại Thụy Sĩ tìm ra một vật liệu mới gốc hydrocarbon là polypyrene. Polypyrene có cấu trúc dạng chuỗi với không gian lớn giữa các chuỗi phân tử từ đó có thể chứa rất nhiều ion.
Molypden (Molybdenum)

Quảng cáo


Molybdenium.jpg
Dù không thay thế hoàn toàn cho Lithium nhưng các nhà nghiên cứu tại đại học Texas đã tìm cách khiến pin Lithium hoạt động hiệu quả và an toàn hơn đối với môi trường. Theo họ thì pin Lithium-lưu huỳnh (pin Li-S) có giá thành rẻ hơn, nhẹ và mật độ lưu trữ năng lượng gấp đôi so với pin Lithium-ion truyền thống nhưng lưu huỳnh lại dẫn điện kém, điện cực bằng lưu huỳnh dễ hỏng trong quá trình sạc. Từ đây, họ tìm cách gia cường lưu huỳnh bằng cách thêm Molypden vào lưu huỳnh, kết quả là điện cực lưu huỳnh trở nên dẫn điện tốt hơn và ổn định hơn.
Sulfua (Sulfide)

Sắt_sulfide.jpg
Các nhà nghiên cứu tại đại học Central Florida đang tìm cách phát triển pin dùng điện cực sulfua thay cho than chì trong pin Lithium. Cực âm của loại pin này được làm bằng hợp kim Niken sulfua (nickel sulfide - NiS) và sắt sulfua (iron sulfide - FeS2), kết hợp đặc tính của cả 2 thì điện cực có tính dẫn tốt hơn, ổn định ở nhiệt độ cao và chi phí chế tạo thấp. Kết hợp với Lithium thì pin sẽ có thể bền hơn rất nhiều lần, cụ thể là chu kỳ sạc xả có thể lên đến trên 1000 lần mà không bị hao mòn.

74 bình luận
Chia sẻ

Xu hướng

hoangryal90
ĐẠI BÀNG
5 năm
Mong chờ về một quả pin dùng 1 tuần sạc 8 tiếng cho smartphone. Cứ gọi là đã các bác nhỉ.
@hoangryal90 Thế thì máy chắc dày lắm đây
hoangryal90
ĐẠI BÀNG
5 năm
@Lexuancuong95 Hoặc như tích hợp pin năng lượng Mặt Trời trên mặt sau của máy.và điện tích vào 1 quả pin riêng 2 quả pin có thể sạc độc lập. Và có thể thay đổi khi sử dụng. 😁
@hoangryal90 bạn yên tâm chúng tôi vừa phát triển thành cong viên pin bé bằng hạt thóc, gắn vào smaphone có thể sử dụng 1 năm, mời bạn vào câu lạc bộ lộn xào để biết thêm chi tiết.
@Thành Viên Dấu Tên Hahaa
Công nghệ pin thấy năm nào cũng có phát minh, sáng chế mới, rồi thì hứa hẹn cái này cái kia nhưng nhìn lại pin smp, laptop camera hay cả xe ô tô, cũng vẫn chưa thấy dc 1 sp pin mới đúng nghĩa, vẫn là Li-ion hay ngon lắm là Li-po thôi😃
@Barbatos Pin năm nào cũng vậy thôi bác, chậm lắm
@Barbatos Nếu bạn để ý những năm 2008 gì đó con Nokia 1200 hay 110i dung lượng pin chỉ có 300 đến 400 mA.h. Sau đó 2011 gì đó thì nó phổ biến 800 đến 1.200 mA.h rồi đến năm 2014 thì là 3.000 trên con LG G2 mình đã dùng. Còn bây h cũng tầm 4K rồi. Nói chung tốc độ phát triển của pin là chậm so với CPU với Ram.
@Barbatos Định cmt nhưng bạn nói đúng ý nên vào like thôi 😃
NTT_93
ĐẠI BÀNG
5 năm
Mình cần một loại sạc tốc độ gấp 10 lần hiện tại hơn là dung lượng lớn 😁
Chris Edward
ĐẠI BÀNG
5 năm
@NTT_93 Oppo chuẩn bị có con 120w đó
@NTT_93 Vooc của oppo đó bạn 😃 còn kiểu gì thời gian nữa chả có hãng làm ra kiểu đó, đơn cử như oppo chẳng hạn
Thấy mỗi Nhôm là ổn nhất ! Các chất con lại toàn là độc hại, hoặc đắc đỏ và các chất như Photpho, Magie cũng dễ cháy !
TK4.Helios
TÍCH CỰC
5 năm
@micheal9000 đến Lithium người ta cũng có xài lithium nguyên chất đâu mà bạn bảo photpho magie dễ cháy với nguy hại hơn nhôm?? chưa kể khâu khai thác nhôm cũng chả tốt hơn cho môi trường so với lithium là bao nhiêu
sao mod ko cho ảnh pin con iphone XS hoặc chí ít là 8+ lên tiêu đề bài thế kia mà lại cho ảnh pin con ip4s lên vại ? đó là 1 sự X ỉ Nh ục Ifan ghê gớm lắm à nha
@hoanghung.tb 5, 6, 7 đều yếu sinh lý cả (không nói plus)
@hoanghung.tb mình mà biết cục pin đó của máy nào mình chết liền luôn =)) (Một người dùng không xài iPhone cho hay)
@hoanghung.tb Mình thấy bình thường mà, có gì sỉ nhục đâu
hentx
TÍCH CỰC
5 năm
Hihi miễn là pin lâu hơn với cùng diện tích pin cũ là ổn 😆
Thomas6688
TÍCH CỰC
5 năm
Klq nhưng mình thắc mắc là cục PIN khủng HyperJuice 130W USB-C Battery này giá rất cao, kèm tốc độ sạc vào/ra bá đạo nhưng vẫn sử dụng cell PIN khiến nó to xác nặng nề, lý giải nào cho việc này?, anh em cho ý kiến nha 30C40A83-7CFD-4B85-8CF8-10A7F9526656.png
@Thomas6688 cục này 20000mah hả bác, 8 cell 18650 thì cũng khá là to nặng đấy nhỉ.
Thomas6688
TÍCH CỰC
5 năm
@boyngo1988 Cục này nha bác, đem đc lên máy bay nhưng 1 số nơi như Ấn độ đen hôi nó ghi hẳn 20000 là không chuẩn lắm, nhưng đem theo là số đen nha
https://www.hypershop.com/products/hyperjuice-130w-27000mah-most-powerful-usb-c-battery-pack
@WesleyNguyen1411 Pin panasonic 18650 không an toàn thì pin nào an toàn bạn ? Pin nhật mà không an toàn không lẽ trung quốc an toàn :/
Chris Edward
ĐẠI BÀNG
5 năm
Thời lương pin khó kéo dài nên tốt nhất là sạc nhanh thì sẽ khả thi hơn
@Chris Edward Công nghệ sạc nhanh đang đi đến 120W rồi đấy
Demo NỐT 7 😁
@narutoxboy Nổ cho sml =))
Smartphone thì qua mỗi năm là 1 bước tiến rồi, pin qua 10 năm thì u như kỹ
Immet
ĐẠI BÀNG
5 năm
Khi nào pin 1 tháng phải sạc 1 lần thì quá ok
Pin Nhôm Al là dễ phát triển nhất
Còn lại để thế hệ sau con cháu làm tiếp.
Nhôm đang nổi lên là kim loại quan trọng chế tạo máy móc công nghệ vs Pin
Ko thấy Việt Nam có nhà luyện kim nhôm nào nhỉ
M43-nhl
TÍCH CỰC
5 năm
@anhtrungkakadanang có NM bô-xit Tây Nguyên kìa!
badboyasd
TÍCH CỰC
5 năm
Toàn hứa hão
10 năm trước cũng có bài bảo 4 năm nữa thương mại hoá pin 0 bị chai, mật độ năng lượng cực cao, hoá ra toàn trả tiền cho mấy báo khoa học để đăng bài, mục đích để lấy lòng tin của các nhà đầu tư và chiếm tiền đầu tư.
Mr.Chuong
TÍCH CỰC
5 năm
Thấy cục dự phòng của anker 10k mới hình như sử dụng 2 cục cell pin mới thì phải. Mình thấy hình như cell pin ion cũng đã tối ưu thêm dung lượng lúc trước dùng đến 4 cell pin 2500 mới đạt 10k
Screenshot_20190706-131441.png
Screenshot_20190706-131434.png
@Mr.Chuong 2 cell 22650 hả bác, chứ thường 16850 thường dung lượng dưới 4000mah thôi
@Mr.Chuong cell 22650
Mr.Chuong
TÍCH CỰC
5 năm
@boyngo1988 Cục sạc 10000 mà mỗi cục 5000 loại mới nhất của anker bởi vậy mình mới nói
Đấy cũng chỉ là hứa hẹn trong thời gian tới thôi.biết khi nào mới có loại pin mới thay thế pin bây giờ được.
So với Li-Po thì thế nào ae?
MỸ CÓ TÀU VŨ TRỤ NASA TẠI SAO KHÔNG LÊN CUNG TRĂNG KHAI THÁC THIÊN THẠCH XUỐNG LÀM NGUYÊN LIỆU CHẾ TẠO PIN NHỈ.
@Sebastisan Không viển vông đâu ,mà vì bạn chậm cập nhật thông tin về lĩnh vực này quá nên mới nói vậy. Trên mặt trăng có kho đất hiếm và rất nhiều kim loại quý đấy. Trung quốc đang chế tạo máy bay vũ trụ lên đó chở xuống bán cho các nhà sản xuất điện thoại kia kìa.
@anhmutcobedi1990 Vì tiền bỏ ra lôi thiên thạch xuống nó đắt hơn là cái pin được làm ra thôi. Hóng công nghệ bay vào vũ trụ nó rẻ đi hoặc hóng thiên thạch rơi vô trái đất rồi hốt về làm cũng được.
@Methanol Hóng công nghệ bay vào vũ trụ thì có thực tế ảo rồi bạn nhé. Còn mỗi vụ thiên thạch lao xuống nữa thôi. Mình cũng muốn xem lần cuối nó nổ có đẹp như pháo hoa không
KyleGuy
TÍCH CỰC
5 năm
Mong ra sớm sớm chứ giờ pin ko đổi mà sạc thì đã lên tới dòng 120w rồi

Xu hướng

Bài mới









  • Chịu trách nhiệm nội dung: Trần Mạnh Hiệp
  • © 2024 Công ty Cổ phần MXH Tinh Tế
  • Địa chỉ: Số 70 Bà Huyện Thanh Quan, P. Võ Thị Sáu, Quận 3, TPHCM
  • Số điện thoại: 02822460095
  • MST: 0313255119
  • Giấy phép thiết lập MXH số 11/GP-BTTTT, Ký ngày: 08/01/2019