Nền tảng của năng lượng mới: Tìm hiểu sự phát triển và nguyên lý của pin lithium

Pin lithium là loại pin sạc phổ biến có phản ứng điện hóa dựa trên sự di chuyển của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm. Pin lithium có ưu điểm là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao và tốc độ tự phóng điện thấp nên được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và xe điện khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của pin lithium dựa trên sự di chuyển của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm. Trong quá trình sạc, các ion lithium được giải phóng khỏi vật liệu dương (thường là oxit như lithium cobaltate), đi qua chất điện phân và sau đó được đưa vào vật liệu âm (thường là vật liệu carbon). Trong quá trình phóng điện, các ion lithium được tách ra khỏi vật liệu âm và di chuyển qua chất điện phân đến vật liệu dương, tạo ra dòng điện và năng lượng điện, giúp thiết bị bên ngoài hoạt động.

Nguyên lý làm việc của pin lithium có thể được đơn giản hóa thành các bước sau:

1. Trong quá trình sạc, điện cực âm của pin lithium sẽ hấp thụ các electron bên ngoài. Để duy trì trạng thái trung hòa về điện, điện cực dương sẽ buộc phải giải phóng electron ra bên ngoài, đồng thời các ion lithium bị mất electron sẽ bị hút về cực âm và di chuyển qua chất điện phân đến điện cực âm. Bằng cách này, điện cực âm sẽ bổ sung thêm electron và lưu trữ các ion lithium.

2. Khi phóng điện, các electron quay trở lại điện cực dương thông qua mạch ngoài và các ion lithium cũng bị loại bỏ khỏi vật liệu điện cực âm, giải phóng năng lượng điện được lưu trữ trong quá trình và di chuyển trở lại điện cực dương thông qua chất điện phân, và các electron được kết hợp tham gia phản ứng khử nhằm khôi phục cấu trúc của hợp chất lithium.

3. Trên thực tế, trong quá trình tích điện và phóng điện, đó là quá trình các ion lithium đuổi theo các electron, trong đó đạt được sự lưu trữ và giải phóng năng lượng điện.

Sự phát triển của pin lithium đã trải qua nhiều giai đoạn. Vào đầu những năm 1970, pin kim loại lithium lần đầu tiên được giới thiệu, nhưng do hoạt tính cao và các vấn đề an toàn của kim loại lithium nên phạm vi ứng dụng của chúng bị hạn chế. Sau đó, pin lithium-ion đã trở thành công nghệ chủ đạo, sử dụng hợp chất lithium phi kim loại làm vật liệu điện cực dương để giải quyết vấn đề an toàn của pin kim loại lithium. Vào những năm 1990, pin lithium polymer xuất hiện, sử dụng gel polymer làm chất điện phân, cải thiện độ an toàn và mật độ năng lượng của pin. Trong những năm gần đây, các công nghệ pin lithium mới như pin lithium-lưu huỳnh và pin lithium thể rắn cũng đang phát triển.

Hiện nay, pin lithium-ion vẫn là công nghệ pin được sử dụng phổ biến nhất và trưởng thành nhất. Nó có mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và tốc độ tự phóng điện thấp, được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện và các lĩnh vực khác. Ngoài ra, pin lithium polymer cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thiết bị mỏng nhẹ và tai nghe không dây do mật độ năng lượng cao và đặc điểm thiết kế mỏng.

Trung Quốc đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực pin lithium. Trung Quốc là một trong những nước sản xuất và tiêu thụ pin lithium lớn nhất thế giới. Chuỗi công nghiệp pin lithium của Trung Quốc đã hoàn thiện, từ thu mua nguyên liệu thô đến sản xuất pin đều có quy mô và sức mạnh kỹ thuật nhất định. Các công ty pin lithium của Trung Quốc đã đạt được tiến bộ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ, năng lực sản xuất và thị phần. Ngoài ra, chính phủ Trung Quốc cũng đưa ra hàng loạt chính sách hỗ trợ nhằm khuyến khích sự phát triển và đổi mới của ngành pin lithium. Pin lithium đã trở thành giải pháp năng lượng chính trong các lĩnh vực như thiết bị điện tử và xe điện.