Quy trình sản xuất pin Lithium hiện đại

Pin lithium ngày nay là dòng lưu trữ năng lượng có tính năng ưu việt cùng nhiều ưu điểm vượt trội như an  toàn cho người dùng, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, thời gian sạc nhanh, bảo vệ môi trường.

Vậy lịch sử hình thành và phát triển của dòng pin lithium này thế nào? Có nguồn gốc từ đâu và quy trình sản xuất pin Lithium hiện đại ra sao? CNSG sẽ “bật mí” ngay trong bài viết này.

Lịch sử phát triển của pin Lithium ion

• M. Stanley Whittingham là nhà hóa học người Anh, vào năm 1970 khi đang làm việc cho Exxon, M. Stanley đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium từ thí nghiệm này của ông không thể ứng dụng vào thực tế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không. Nếu để thực hiện điều này sẽ rất tốn kém với mức chi phí lên đến khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970. Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí. Chính vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham.
• Năm 1980, giáo sư vật lý người Mỹ John Goodenough đã phát minh ra một loại pin lithium khác. Ông đã nghiên cứu tạo ra pin lithium nhờ sự kết hợp giữa lithium coban oxit, loại pin này với ưu điểm là có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dưới dạng ion Li+.
• Đến năm 1983, Akira Yoshino- giáo sư của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit như cathode và polyacetylene làm cực dương. Nguyên mẫu này được nghiên cứu chế tạo với vật liệu cực dương không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dương trong quá trình sạc. Phát minh này của Yoshino cũng là tiền thân trực tiếp của pin Lithium-ion (LIB) thời hiện đại.
• Năm 1991, Pin lithium-ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec. Ngày nay lithium là thiết bị lưu trữ điện có tính ứng dụng rất cao với phạm vi trên toàn thế giới, đặc biệt là ô tô điện.
• Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion chính là: 

 – Lithium-Cobalt Oxide

 – Lithium-titanate: Dùng cho ô tô điện, xe đạp, xe tay ga, mô tô

 – Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide

 – Lithium-Mangan Oxit 

 – Lithium-Iron Phosphate

Xem thêm: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin Lithium

Quy trình sản xuất pin Lithium-ion hiện tại

Quy trình sản xuất pin Lithium-ion bao gồm 3 giai đoạn chính, đó là khâu chuẩn bị điện cực, lắp ráp tế bào và kích hoạt điện hóa pin.

Chuẩn bị điện cực

• Nguyên liệu cần dùng là vật liệu hoạt tính (AM), phụ gia dẫn điện và chất kết dính, trộn vào với nhau để tạo thành hỗn hợp bùn đồng nhất với dung môi. 
• Sau quá trình hòa trộn, hỗn hợp được bơm vào một khuôn rãnh, được phủ trên cả hai mặt của bộ thu dòng điện (lá Al cho cực âm và lá Cu cho cực dương), và đưa đến thiết bị làm khô để làm bay hơi dung môi. 
• Đối với bùn cực dương gốc nước, trong quá trình sản xuất luồng hơi vô hại có thể thoát ra môi trường xung quanh trực tiếp. Sau đó, các điện cực được đưa đến lò chân không để loại bỏ lượng nước dư thừa. 
• Đồng thời, độ ẩm của các điện cực sẽ được kỹ thuật viên kiểm tra kỹ lưỡng sau khi làm khô để đảm bảo giảm thiểu phản ứng phụ và ăn mòn trong tế bào.

Lắp ráp tế bào

• Các điện cực và thiết bị phân tách được cuộn lại hoặc xếp chồng lên nhau từng lớp để tạo thành cấu trúc bên trong của tế bào của bộ pin lithium hoàn chỉnh.
• Các mẫu nhôm và đồng được hàn lần lượt trên dòng điện cực âm và cực dương. 
• Phương pháp hàn phổ biến trong công đoạn lắp ráp tế bào này là phương pháp hàn siêu âm, một số nhà sản xuất có thể chọn hàn điện trở cho thiết kế của họ. 
• Sau khi hàn kết nối, ngăn xếp tế bào được chuyển đến vỏ bọc được thiết kế, hiện không có tiêu chuẩn nhất quán. Mỗi nhà sản xuất có sở thích của họ tùy thuộc vào mục đích của các tế bào. Vỏ bọc được đổ đầy chất điện phân trước khi niêm phong cuối cùng và hoàn thành quá trình sản xuất tế bào.

Kích hoạt điện hóa pin

• Lớp giao diện điện phân rắn (SEI) ổn định có nhiệm vụ chính là ngăn chặn sự tiêu thụ không thể đảo ngược của chất điện phân, đồng thời lớp giao diện này cũng có khả năng bảo vệ cực dương của pin khỏi hiện tượng quá điện trong quá trình sạc nhanh. 
• Điều này có thể dẫn đến việc hình thành các đuôi gai Li. Quá trình hình thành và lão hóa pin xảy ra do quá trình sạc các tế bào đến một điện áp tương đối thấp (khoảng 1,5V) để bảo vệ bộ thu dòng điện đồng khỏi việc bị ăn mòn. Sau đó sẽ diễn ra 1 phiên nghỉ ngơi nhằm làm ướt chất điện phân. 
• Ở công đoạn này, các tế bào khi được sạc hoặc xả ở tỷ lệ thấp khoảng C/20. Sau đó tốc độ sạc/xả sẽ tăng dần từ từ để đảm bảo tạo một lớp SEI ổn định trên bề mặt cực dương. Khí được tạo ra từ quá trình hình thành sẽ tạo ra một lượng khí và cần được thải ra ngoài để đảm bảo an toàn. 
• Sau khi kết thúc hoặc trong chu kỳ hình thành, các tế bào đã được lưu trữ trên các kệ lão hóa để làm ướt hoàn toàn chất điện phân và ổn định SEI. 
• Một bước khử khí khác được sắp xếp trước khi các tế bào cuối cùng được niêm phong cho các ứng dụng trong về sau. Tùy thuộc vào quy trình hình thành và nhiệt độ lão hóa, bước này thường kéo dài trong vài tuần.