Pin lithium, đặc biệt là pin lithium-ion, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Mặc dù pin lithium-ion đã phát triển nhanh chóng và được sử dụng rộng rãi, nhưng nếu phát sinh vấn đề về an toàn, hậu quả sẽ rất nghiêm trọng. Pin lithium ban đầu sử dụng lithium kim loại ở điện cực âm, dễ bị dendrite lithium và thậm chí bị ăn mòn trong quá trình sạc. Điều này đã rút ngắn đáng kể thời gian chu kỳ và tuổi thọ của pin, và trong trường hợp nghiêm trọng, thậm chí có thể dẫn đến đoản mạch hoặc nổ.

Bằng cách tìm kiếm tài liệu bằng sáng chế pin lithium trực tuyến và phân tích các chỉ số kỹ thuật có liên quan của pin lithium theo quan điểm đo lường, kết quả phân tích cho thấy khối lượng ứng dụng trong lĩnh vực pin lithium đã cho thấy xu hướng tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây.

Bài viết này đã thu được các thông số đặc trưng cơ bản của pin lithium-ion thông qua thử nghiệm thực nghiệm cơ bản và thiết lập mô hình điện hóa của pin lithium-ion bằng phần mềm mô phỏng số Comsol, xác minh độ chính xác của mô hình. Trên cơ sở này, kết hợp với một số phương trình điện hóa, các thay đổi điện áp của pin lithium trong các môi trường khác nhau đã được phân tích thông qua mô phỏng.

Mục đích và nội dung nghiên cứu chính của bài viết này là phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và bán kính hạt điện cực âm đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium. Sử dụng phần mềm mô hình hóa Comsol, ảnh hưởng của nhiệt độ và bán kính hạt điện cực âm đến hiệu suất sạc và xả của pin lithium đã được nghiên cứu bằng phương pháp biến điều khiển, trong khi giữ các biến khác không đổi.

1 Nguyên lý hoạt động của pin lithium

Khi pin được sạc, ion lithium được tạo ra trên điện cực dương và di chuyển qua chất điện phân đến điện cực âm. Cấu trúc do carbon tạo thành trong điện cực âm có nhiều lỗ rỗng và các ion lithium tiếp cận điện cực âm sẽ được nhúng vào các lỗ rỗng nhỏ của lớp carbon. Khả năng sạc có mối tương quan tích cực với số lượng ion lithium được nhúng.

Khi pin được xả, các ion lithium được nhúng trong lớp carbon catốt sẽ thoát ra, đi vào chất điện phân, xuyên qua màng polyme và cuối cùng được nhúng vào vật liệu hoạt động của điện cực dương. Cuối cùng, càng nhiều ion lithium trở lại điện cực dương thì khả năng xả càng cao. Trên thực tế, quá trình xả đạt được thông qua hành vi khử mực và nhúng của các ion lithium trong vật liệu hoạt động lưỡng cực. Vì vậy, dung lượng pin thường được gọi là “dung lượng xả”.

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Do ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài đến đặc tính sạc và xả của pin lithium, nó được sử dụng như một biến để quan sát điện áp xả của cùng một loại pin ở các nhiệt độ khác nhau để xác định hiệu suất của nó và đo khả năng làm việc của nó. Mô hình này đã nghiên cứu hình ảnh đường cong điện áp pin ở 300 K và 500 K.

Đối với hai đường cong, người ta thấy rằng nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 500 K và điện áp tại điểm cao nhất tăng gần 0,1 V, trong khi điện áp tại điểm thấp nhất giảm gần 0,1 V. Quan sát và so sánh các đường cong tiếp theo cho thấy rằng trong giai đoạn xả ban đầu, điện áp của pin lithium giảm nhanh và độ dốc của đường cong điện áp giảm; Vào cuối quá trình xả, đường cong điện áp giảm mạnh và cuối cùng giảm xuống điện áp cắt.

Thông qua phân tích, người ta thấy rằng đường cong điện áp của quá trình xả pin trải qua những thay đổi đáng kể ở các nhiệt độ khác nhau. Trong cùng điều kiện khác, khi nhiệt độ giảm, điện áp xả ban đầu giảm và thời gian xả ngắn lại. Do đó, điện áp giảm mạnh trong giai đoạn xả ban đầu, sau đó giảm chậm và do điện trở trong tăng, nhiệt độ bên trong tăng theo quá trình xả, dẫn đến độ dẫn ion của chất điện phân tăng.

Khi kết thúc quá trình xả, điện áp giảm mạnh vì nồng độ chất phản ứng âm giảm và lượng ion lithium nhúng trong cấu trúc điện cực dương tăng lên, dẫn đến phản ứng kết thúc. Khi nhiệt độ môi trường giảm, tốc độ giảm điện áp tăng. Khi pin lithium được xả, các ion lithium được nhúng trong catốt.

Càng nhiều ion lithium được nhúng, càng nhiều điện tích được giải phóng và điện áp sẽ giảm tương ứng. Tương tự như vậy, trong quá trình sạc, càng nhiều ion lithium được loại bỏ khỏi anot, càng nhiều điện tích được tích và điện áp sẽ tăng tương ứng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục giảm và độ nhớt của chất điện phân tiếp tục tăng, quá trình di chuyển ion lithium sẽ trở nên rất khó khăn, dẫn đến lượng di chuyển giảm dần.

3 Ảnh hưởng của kích thước bán kính hạt điện cực âm

Ở một nhiệt độ nhất định, có thể thấy từ những thay đổi về điện áp pin và mật độ dòng điện pin được áp dụng rằng trong điều kiện nhiệt độ 300 K, điểm chung của pin lithium-ion như sau: độ dốc của đường cong điện áp cao trong giai đoạn xả ban đầu và độ dốc thay đổi chậm. Cuối cùng, nó giảm xuống điện áp cắt ở tốc độ cố định và sau đó đột ngột thay đổi.

Khi kết thúc quá trình xả, độ dốc của điện áp giảm đầu tiên tăng lên rồi giảm xuống. Trong quá trình xả, các ion lithium được nhúng vào điện cực âm, giải phóng nhiều điện tích hơn và làm giảm điện áp. Ngược lại, khi sạc, các ion lithium dương được nhúng vào, khiến nhiều điện tích hơn tăng đột biến, dẫn đến tăng điện áp.

Bằng cách phân tích dữ liệu về các bán kính hạt điện cực âm khác nhau, có thể kết luận rằng khi bán kính hạt điện cực âm giảm, khi mật độ dòng điện của bộ pin được sử dụng giống nhau và gần bằng không, bán kính hạt điện cực âm càng nhỏ, điện áp pin càng thấp và ứng suất bên trong pin càng nhỏ. Do đó, tuổi thọ pin dài hơn so với pin có các hạt điện cực âm lớn hơn.

4 Kết luận

Bằng cách sử dụng phần mềm mô hình hóa phù hợp, hiệu suất sạc và xả pin lithium-ion có thể được nghiên cứu chi tiết và chính xác từ vĩ mô đến vi mô, từ thí nghiệm đến mô hình. Bài viết này bắt đầu bằng phản ứng điện hóa của pin lithium-ion và rút ra những kết luận sau:

(1) Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến các hoạt chất bên trong và độ nhớt của chất điện phân trong pin lithium-ion, do đó làm thay đổi hiệu quả sạc và xả.

(2) Kích thước bán kính hạt điện cực âm sẽ ảnh hưởng đến sự tách liên kết giữa các hạt và điện cực âm, ảnh hưởng thêm đến hiệu quả dẫn điện và cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu quả sạc và xả.