Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiều thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động,

Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiều thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động,

Tải bản đầy đủ - 0trang

Mãi cho tới năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành cơng trong việc cải

tiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao. Giải pháp cải tiến của 2 nhà phát minh là

trang bị thêm những tấm vách ngăn các điện cực thành nhiều khoang. Năm 1947, George

Neumann tiếp tục hồn thiện mơ hình trên thơng qua việc chế tạo thế hệ pin NiCd với nhiều

vách ngăn bên trong được hàn kín lại.

Nhiều năm sau đó, pin NiCd tiếp tục là loại pin duy nhất có thể sạc và di chuyển được.

Vào những năm 1990, vấn đề môi trường được quan tâm hàng đầu tại châu Âu và các nhà

khoa học bắt đầu chú ý đến pin NiCd do khả năng xử lý các hóa chất độc hại sau quá trình sử

dụng. Các đạo luật được ban hành nhằm hạn chế việc sử dụng các nguyên tố này và chuyển

sang sử dụng pin Nickel-Sắt Hydrid (NiMH) thân thiện với môi trường hơn. Dù vậy, tương tự

như pin NiCd, pin NiMH vẫn chưa thật sự đạt được hiệu quả như mong đợi và các nhà nghiên

cứu vẫn tiếp tục phát triển nên một thế hệ pin ưu việt hơn. Đây chính là bàn đạp tạo tiền đề cho

sự ra đời của pin Lithi-ion (Li-ion).

Bảng 1: Tóm tắt các cột mốc quan trọng có liên quan đến q trình phát triển của pin



5



Một số hình ảnh về lịch sử phát triển của pin



Hình 1: Giáo sư Cơ thể học Luigi Galvani

(1737-1798) với phát hiện đâm que sắt Hình 2: Alessandro Volta (1745-1827) là

vào chân nhái đặt trên bàn kim loại giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha

khiến chân nhái co giật

đẻ của pin



Hình 4: Mơ hình pin đầu tiên của Volta còn

được bảo tồn đến ngày nay



Hình 3: Mơ hình pin của Volta

6



Hình 5: Nhà hóa học người Anh, William

Cruickshank với thiết kế mơ hình pin Hình 6: Pin ướt có thể sạc được của nhà

vật lý người Pháp Gaston Planté

đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mơ

cơng nghiệp



Hình 8: Pin NiMH

Hình 7: Pin Ni-Cd



7



Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin Li-ion

Năm 1991, tập đồn điện tử

Sony chính thức thương mại hóa pin

Li-ion dưới quy mô sản xuất công

nghiệp. Cho đến nay, hầu hết các hoạt

động nghiên cứu đều xoay quanh việc

cải thiện hiệu suất của pin Li-on. Bên

cạnh việc cung cấp năng lượng cho

điện thoại di động, máy tính xách tay,

máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và

các thiết bị y tế, pin Li-ion hiện nay

còn được sử dụng cho xe điện. Đây là

thế hệ pin đáng chú ý nhất tính đến

thời điểm hiện tại do có mức lưu trữ

năng lượng riêng, thiết kế đơn giản,

hiệu suất cao, cho dòng ổn định, chi

phí bảo trì thấp và khá thân thiện với

mơi trường.



8



Hình 10: Pin Li-ion của hãng điện thoại Nokia

1.2. Tổng quan về các loại pin

Pin được phân loại theo hóa học, và phổ biến nhất là hệ thống Lithi, chì, và niken. Hình

11 minh hoạ sự phân bố của các hệ thống này. Với 37% doanh thu toàn cầu, pin Li-ion là lựa

chọn số một cho các thiết bị cầm tay và hệ thống điện.



Hình 11: Doanh thu tồn cầu của hệ thống pin khác nhau

37% Pin Lithi-ion

20% Pin axit chì, pin khởi động

15% Pin kiềm, pin sơ cấp

8% Pin axit chì, pin cố định

6% Pin Zn-C, pin sơ cấp

5% Pin axit chì, pin chu kỳ sâu

3% Pin NiMH

3% Pin Lithi, pin sơ cấp

2% Pin Ni-Cd

1% Khác

Nguồn: Frost & Sullivan (2009)



1.2.1. Cấu tạo của một viên pin

Một viên pin bất kỳ đều có hai cực (terminal). Một cực được đánh dấu (+) là cực dương,

cực còn lại được đánh dấu (-) là cực âm. Trong những loại pin cho đèn pin thông thường, như

pin AA, C hoặc D, các cực của pin đặt trên hai đầu của pin. Tuy nhiên, một pin 9 volt hoặc ắc

quy xe hơi, hai cực pin nằm cạnh nhau phía trên đỉnh viên pin. Khi ta kết nối một dây giữa hai

cực này, các electron sẽ đi từ cực âm đến cực dương với tốc độ cực kì nhanh. Điều này sẽ làm

pin hết nhanh và cũng có thể gây nguy hiểm, đặc biệt là với các loại pin lớn. Để sử dụng pin, ta

phải kết nối pin với một tải chẳng hạn như một bóng đèn, một động cơ hoặc một mạch điện tử.

Các thành phần bên trong của pin được đặt trong vỏ kim loại hoặc nhựa. Bên trong lớp vỏ này

là catot, kết nối với cực dương và anot kết nối cực âm. Các thành phần này được gọi các điện

cực, chiếm hầu hết không gian trong pin và là nơi mà các phản ứng hóa học xảy ra.

Một lớp phân cách tạo ra một rào chắn giữa catot và anot, ngăn ngừa các điện cực này

tiếp xúc với nhau trong khi các điện tích vẫn có thể lưu thơng tự do. Lớp trung gian cho phép

các điện tích chạy giữa cực âm và cực dương được gọi là điện phân. Cuối cùng, anot được nối

với đầu âm và catot nối với đầu dương để truyền điện ra ngoài.

1.2.2. Phản ứng hóa học bên trong pin

Rất nhiều phản ứng xảy ra bên trong pin khi ta bật một chiếc đèn pin, điều khiển từ xa

hoặc các thiết bị không dây khác. Trong khi các quy trình tạo ra dòng điện khác nhau đôi chút

tùy theo loại pin, nhưng nguyên lý hoạt động chẳng khác gì nhau.

9



Khi tải được nối với 2 cực, pin sản xuất điện thông qua một loạt các phản ứng điện từ

giữa cực dương và cực âm và điện phân. Ở anot xảy ra phản ứng oxi hóa trong đó hai hoặc

nhiều ion từ chất điện phân kết hợp với anot, tạo ra một hợp chất và giải phóng một hoặc nhiều

electron. Đồng thời, ở catot xảy ra phản ứng khử, trong đó chất làm catot, các ion và electron

tự do cũng kết hợp để tạo thành hợp chất.

Quy trình này thực sự rất đơn giản: Phản ứng ở cực âm (anot) tạo ra các electron điện

tử, và các phản ứng trong cực dương (catot) sẽ hấp thụ những electron đó. Kết quả là ta có

dòng điện. Các pin sẽ sản xuất điện liên tục cho đến khi một hoặc cả hai điện cực bị ăn mòn

hết khiến các phản ứng hóa học trên khơng thể xảy ra.

Pin hiện đại sử dụng nhiều loại hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo ra dòng

điện. Các pin hóa học thường gặp bao gồm:

- Pin kẽm – carbon: pin sử dụng điện cực kẽm, carbon khá phổ biến đối với các loại pin

rẻ tiền AAA, AA, C và pin khơ D. Anot là kẽm còn catot là mangan dioxide, và chất điện phân

là amoni clorua hoặc kẽm clorua.

- Pin Alkaline (pin kiềm): pin hóa học này cũng phổ biến trong các loại pin AA, C và

pin khô D. Catot tạo thành từ hỗn hợp mangan dioxide, trong khi anot là một loại bột kẽm. Pin

được đặt tên theo chất điện phân bên trong là kali hydroxit, là một chất kiềm (alkaline)

- Pin Lithi-ion (có thể sạc lại): pin thường được sử dụng trong các thiết bị hiệu suất cao,

chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và xe điện. Nhiều chất được sử dụng

trong pin Lithi, nhưng một sự kết hợp phổ biến là Lithi Cobalt oxide để làm catot và cacbon

làm anot

- Pin chì – axit (có thể sạc): Đây là loại pin được sử dụng phổ biến trong các xe hơi hay

còn gọi là ắc quy. Các điện cực thường được làm bằng chì dioxide và chì kim loại, trong khi

chất điện phân là dung dịch axit sulfuric.

1.2.3. Khả năng sạc của pin

Cùng với sự phát triển không ngừng của thiết bị di động như máy tính xách tay, điện

thoại di động, máy nghe nhạc và các thiết bị điện không dây, nhu cầu về pin sạc đã tăng mạnh

trong những năm gần đây. Pin sạc xuất hiện từ năm 1859, khi nhà vật lí Pháp Gaston Plante

phát minh ra pin chì – axit. Với cực âm là kim loại chì, cực dương là chì dioxide và sử dụng

axit sulfuric làm chất điện phân, pin Plante là một tiền thân của ắc quy trên xe hơi ngày nay.

Pin khơng có khả năng sạc (pin sơ cấp), và pin có thể sạc (pin thứ cấp), đều sản xuất

hiện theo cùng một cách giống nhau: thơng qua một phản ứng điện hóa có sự tham gia của cực

dương, cực âm và chất điện phân. Trong loại pin có thể sạc được, phản ứng đó có thể đảo

ngược. Khi pin được cấp năng lượng điện từ một nguồn bên ngồi, dòng electron bị đảo

ngược, các electron chạy từ cực dương sang cưc âm, pin được sạc. Pin sạc phổ biến nhất trên

thị trường hiện nay là Lithi-ion (Lion), thay thế cho pin nickel-metal hydride (NiMH) và nickel

cadmium (NiCd) từng rất phổ biến trước đây.

Khi nói đến pin sạc, không phải tất cả các pin được tạo ra giống nhau. Pin NiCd là pin

sạc được phổ biến rộng rãi đầu tiên nhưng nó gặp phải vấn đề gọi là “hiệu ứng nhớ”. Về cơ

bản, nếu loại pin này khơng được xả hồn tồn mỗi khi được sử dụng, nó sẽ nhanh chóng bị

mất dung lượng. Vì thế Pin NiCd đã bị thay thế bởi pin NiMH. Loại pin thứ cấp này có cơng

suất cao hơn và được thiết kế để giảm thiểu tác động từ hiệu ứng nhớ, nhưng thời gian lưu kho

không cao. Giống như pin NiMH, pin Lion có tuổi thọ cao, nhưng có khả năng giữ điện tốt

hơn, hoạt động ở điện áp cao hơn, và nhỏ nhẹ hơn nhiều. Tuy nhiên, pin Lion vẫn chưa thể

10



xuất hiện trong các cỡ pin tiêu chuẩn như AAA, AA, C hoặc D và giá thành vẫn cao hơn đáng

kể hơn so với các loại pin cũ khác.

Công nghệ chế tạo pin đã đạt được nhiều thành tựu kể từ những ngày đầu tiên xuất hiện

pin Volta. Những phát triển này phản ánh rõ rệt nhất sự nhảy vọt của thế giới đồ điện xách tay,

thế giới mà ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào những nguồn năng lượng di động này. Nhưng

chắc chắn rằng trong tương lai, thế hệ pin tiếp theo sẽ ngày càng nhỏ hơn mạnh mẽ hơn và có

độ bền cao hơn.

1.3. Giới thiệu về nguồn điện hóa học

1.3.1. Điều kiện để hệ điện hóa trở thành nguồn điện hóa học

Nguồn điện hóa học được xem là thiết bị để biến trực tiếp năng lượng hóa học thành

năng lượng điện. Trên cơ sở của các q trình phản ứng oxi hóa khử xảy ra khác nhau trong

các hệ điện hóa, người ta có thể tạo ra rất nhiều nguồn điện hóa học. Nhưng khơng phải tất cả

các hệ điện hóa được tạo ra đều được xem là nguồn điện hóa học. Để cho hệ điện hóa trở thành

nguồn điện hóa học cần thỏa mãn các điều kiện sau:

a) Sức điện động E của nguồn điện phải đủ lớn.

Hệ điện hóa (pin hoặc ắc quy) có khả năng tạo ra sức điện động lớn về mặt nhiệt động

học. Nếu E là sức điện động của hệ điện hóa (pin điện), ∆H 0 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

xảy ra trong pin. Khi đó sức điện động E được tính:

E =−



∆H 0

 dE 

+T 

÷

ZF

 dT  p



(1)



trong đó Z là số electron tham gia phản ứng oxi hóa khử



dE

là hệ số nhiệt

dT



b) Về quan hệ giữa sức điện động E và thế V của nguồn điện

Sức điện động E là đại lượng quan trọng nhất của nguồn điện, nó là hiệu thế các điện

cực với giá trị đo được khi khơng có dòng ngồi đi quan nguồn điện hóa học.

Thế của nguồn điện hóa học là hiệu thế các điện cực khi hệ điện hóa – pin điện bị khép

kín mạch, kí hiệu là V. Vậy khi pin làm việc thì giá trị V < sđđ E, nguồn điện có chất lượng cao

nếu giá trị của V có giá trị tối đa xấp xỉ bằng sđđ E

Như đã biết: V = E – ∆Ec – ∆Ea – Ir

(2)

Trong đó: ∆Ec: phân cực catot; ∆Ea; phân cực anot; r: điện trở nội; I: cường độ dòng điện

V = E – (Rpc + Rpa + r)I = E – IR

(3)

Trong đó: Rpc, Rpa gọi là điện trở phân cực catot và anot

Vậy thế V nhở hơn sức điện động E một giá trị IR. Đối với nguồn điện hóa học sực phụ

thuộc giữa V và I là một đặc trưng quan trọng.

Để tăng giá trị của V thì R phải giảm, nghĩa là phải giảm độ phân cực catot và anot sao

cho các quá trình điện hóa xảy ra rất nhanh đồng thời phải giảm tối đa điện trở nội r của nguồn

điện. Muốn vậy nguồn điện phải có cấu trúc đặc biệt, như làm giảm khoảng cách đến mức tối

đa giữa các điện cực, dùng chất điện li có độ dẫn điện cao,… Khi phóng điện với mật độ dòng

nhỏ thì sự giảm thế của nguồn điện khơng lớn nhưng khi phóng điện với dòng lớn thì độ giảm

thế lớn. Ví dụ với ắc quy chì axit, giá trị điện trở R của chất điện li và các lá cách giữa các điện

cực cách nhau 1,5 mm xấp xỉ bằng 0,006Ω/ dm 2. Khi mật độ dòng phóng điện tương đối lớn

khoảng 12A/dm2 thì sự giảm thế khoảng 70mV và xấp xỉ bằng 3,5% sức điện động của ắc quy.

11



c) Dung lượng và năng lượng của nguồn điện phải đủ lớn

Dung lượng và năng lượng của nguồn điện là một trong những đại lượng quan trọng đặc

trưng cho nguồn điện hóa học.

Dung lượng của nguồn điện hóa học là lượng điện do nguồn cung cấp khi phóng điện.

Nếu nguồn điện bị phóng điện với dòng điện I (A) trong khoảng thời gian τ giờ thì dung lượng

C của nó sẽ bằng: C = I. τ

(4)

Khi phóng điện trên một điện trở ngồi R khơng đổi thì cường độ dòng bị biến đổi.

Trong trường hợp đó dung lượng CR được tính theo cơng thức:

τ

τ

Vtb .τ

1

CR = ∫ I .dτ (5)

hoặc CR = ∫ V.dτ =

(6)

R



0



R



0



trong đó: Vtb: thế trung bình

Khi phóng điện, thế của nguồn điện giảm vì có sự phân cực và điện trở tăng lên theo

thời gian. Hình 12 trình bày sự phụ thuộc của thế theo thời gian. Diện tích OABC xác định giá

trị tích phân theo phương trình (6). Đương nhiên với các nguồn điện có giá giá trị tích phân

này càng lớn thì chất lượng nguồn càng cao, nghĩa là có giá trị dung lượng CR càng lớn.



Hình 12: Đường cong phóng điện của nguồn điện hóa học theo thời gian

Năng lượng của nguồn điện Ai là lượng năng lượng cung cấp cho mạch ngồi khi phóng

điện. Giá trị năng lượng này bằng tích số của dung lượng điện và thế trung bình V tb. Vậy ta có:

τ



Ai = I ∫ V.dτ = I .τ .Vtb



(7)



0



Khi nguồn điện phóng điện trên một điện trở ngồi khơng đổi thì năng lượng của nguồn

τ

Vtb2 .τ

1

2

V

.

d

τ

=

được tính theo phương trình:

AR = ∫

(8)

R



R



0



Thường người ta dùng khái niệm năng lượng riêng của nguồn điện hóa học thay cho

năng lượng của nguồn điện.

Năng lượng riêng là năng lượng của nguồn điện tính cho một đơn vị khối lượng hoặc

đơn vị thể tích của chất hoạt động bề mặt. Đại lượng này phụ thuộc vào điều kiện phóng điện.

12



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiều thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động,

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×