Pin lithium ion bắt đầu lao dốc hết mức, tiến gần đến pin điện

Năm 1800, Alessandro Volta, một nhà vật lý người Ý, đã phát minh ra pin Volta, cục pin đầu tiên trong lịch sử loài người. Pin đầu tiên được làm từ tấm kẽm (cực dương) và đồng (cực âm) và giấy ngâm trong nước muối (chất điện phân), thể hiện khả năng tạo ra điện nhân tạo.

Kể từ đó, là thiết bị có thể cung cấp dòng điện liên tục và ổn định, pin đã trải qua hơn 200 năm phát triển và tiếp tục đáp ứng nhu cầu sử dụng điện linh hoạt của người dân.

Trong những năm gần đây, với nhu cầu rất lớn về năng lượng tái tạo và mối lo ngại ngày càng tăng về ô nhiễm môi trường, pin thứ cấp (hoặc pin) có khả năng chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện và lưu trữ dưới dạng năng lượng hóa học tiếp tục mang lại những thay đổi về năng lượng. hệ thống.

Sự phát triển của pin lithium cho thấy sự tiến bộ của xã hội từ một khía cạnh khác. Trên thực tế, sự phát triển nhanh chóng của điện thoại di động, máy tính, máy ảnh và xe điện đều dựa trên sự trưởng thành của công nghệ pin lithium.

Chen Gen. Sự ra đời và nỗi lo lắng của pin lithium đang đến gần

Sự ra đời của pin lithium

Pin có cực dương và cực âm. Cực dương hay còn gọi là cực âm thường được làm bằng vật liệu ổn định hơn, trong khi cực âm hay còn gọi là cực dương thường được làm bằng vật liệu kim loại có hoạt tính cao. Các cực dương và cực âm được phân tách bằng chất điện phân và được lưu trữ dưới dạng năng lượng hóa học.

Phản ứng hóa học giữa hai cực tạo ra các ion và electron. Các ion và electron này di chuyển trong pin, buộc các electron di chuyển ra ngoài, tạo thành một chu trình và tạo ra điện.

Vào những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu mỏ ở Hoa Kỳ cùng với nhu cầu năng lượng mới trong quân sự, hàng không, y học và các lĩnh vực khác đã thúc đẩy việc tìm kiếm pin sạc để lưu trữ năng lượng sạch tái tạo.

Trong tất cả các kim loại, lithium có trọng lượng riêng và thế điện cực rất thấp. Nói cách khác, về mặt lý thuyết, hệ thống pin lithium có thể đạt được mật độ năng lượng tối đa, vì vậy lithium là sự lựa chọn đương nhiên của các nhà thiết kế pin.

Tuy nhiên, lithium có tính phản ứng cao và có thể cháy, nổ khi tiếp xúc với nước hoặc không khí. Vì vậy, việc thuần hóa lithium đã trở thành chìa khóa để phát triển pin. Ngoài ra, lithium có thể dễ dàng phản ứng với nước ở nhiệt độ phòng. Nếu lithium kim loại được sử dụng trong hệ thống pin, điều cần thiết là phải sử dụng chất điện phân không chứa nước.

Năm 1958, Harris đề xuất sử dụng chất điện phân hữu cơ làm chất điện phân cho pin kim loại. Năm 1962, Lockheed Mission và SpaceCo. Chilton Jr. của quân đội Hoa Kỳ And Cook đã đưa ra ý tưởng về "hệ thống điện phân lithium không chứa nước".

Chilton và Cook đã thiết kế một loại pin mới, sử dụng kim loại lithium làm cực âm, Ag, Cu, Ni halogenua làm cực âm và muối kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp lic1-AlCl3 hòa tan trong propylene cacbonat làm chất điện phân. Mặc dù vấn đề về pin khiến nó chỉ nằm ở khái niệm hơn là tính khả thi về mặt thương mại, nhưng công trình của Chilton và Cook là bước khởi đầu cho nghiên cứu về pin lithium.

Năm 1970, Công ty Điện lực Panasonic của Nhật Bản và quân đội Hoa Kỳ đã độc lập tổng hợp một loại vật liệu làm cực âm mới - cacbon florua gần như cùng một lúc. Carbon florua tinh thể có biểu hiện phân tử (CFx) N (0,5  x 1) đã được Công ty TNHH Điện lực Panasonic điều chế thành công và được sử dụng làm cực dương của pin lithium. Việc phát minh ra pin lithium fluoride là một bước quan trọng trong lịch sử phát triển pin lithium. Đây là lần đầu tiên đưa "hợp chất nhúng" vào thiết kế pin lithium.

Tuy nhiên, để nhận ra khả năng sạc và xả thuận nghịch của pin lithium, điều quan trọng là khả năng thuận nghịch của phản ứng hóa học. Vào thời điểm đó, hầu hết các loại pin không sạc đều sử dụng cực dương lithium và chất điện phân hữu cơ. Để tạo ra pin có thể sạc lại, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu việc đưa các ion lithium có thể đảo ngược vào điện cực dương của sunfua kim loại chuyển tiếp phân lớp.

Stanley Whittingham của ExxonMobil phát hiện ra rằng phản ứng hóa học xen kẽ có thể được đo bằng cách sử dụng TiS2 phân lớp làm vật liệu catốt và sản phẩm phóng điện là LiTiS2.

Năm 1976, loại pin do Whittingham phát triển đã đạt được hiệu suất ban đầu tốt. Tuy nhiên, sau nhiều lần sạc và xả nhiều lần, các sợi nhánh lithium hình thành trong pin. Các sợi nhánh phát triển từ cực âm sang cực dương, tạo thành hiện tượng đoản mạch, gây nguy cơ cháy chất điện phân và cuối cùng bị hỏng.

Năm 1989, do sự cố cháy nổ của pin thứ cấp lithium/molypden, hầu hết các công ty, ngoại trừ một số ít, đã rút lui khỏi việc phát triển pin thứ cấp kim loại lithium. Sự phát triển của pin thứ cấp kim loại lithium về cơ bản đã bị dừng lại vì không thể giải quyết được vấn đề an toàn.

Do hiệu quả kém của các sửa đổi khác nhau, nghiên cứu về pin thứ cấp kim loại lithium đã bị đình trệ. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chọn một giải pháp triệt để: pin ghế bập bênh có chứa các hợp chất nhúng làm cực dương và cực âm của pin thứ cấp kim loại lithium.

Vào những năm 1980, Goodnow đã nghiên cứu cấu trúc của vật liệu catốt lithium cobalate và lithium nickel oxit phân lớp tại Đại học Oxford, Anh. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng hơn một nửa lượng lithium có thể được loại bỏ khỏi vật liệu cực âm theo cách thuận nghịch. Kết quả này cuối cùng đã dẫn đến sự ra đời của The.

Năm 1991, Công ty SONY cho ra mắt loại pin lithium thương mại đầu tiên (than chì cực dương, hợp chất lithium cực âm, muối lithium lỏng điện cực hòa tan trong dung môi hữu cơ). Do đặc điểm mật độ năng lượng cao và công thức khác nhau có thể thích ứng với các môi trường sử dụng khác nhau, pin lithium đã được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi trên thị trường.