Chemistry Labs

Hoá học vật liệu

Pin lithium-ion, pin thể rắn, lithium-lưu huỳnh

Tìm hiểu lưu trữ lithium thuận nghịch, điện áp và dung lượng pin, cùng vật liệu và giao diện giới hạn pin điện phân lỏng, pin thể rắn và pin lithium–lưu huỳnh.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácCon thoi hoá học có thể nạp lại

Khi phóng điện, lithium đi từ điện cực âm qua chất điện phân đến điện cực dương, còn electron đi qua mạch ngoài. Khi nạp, chiều chuyển động đảo ngược. Chất điện phân dẫn ion nhưng lý tưởng là chặn electron, ngăn đoản mạch bên trong.

Theo dõi sự vận chuyển ion lithium trong chất điện phân và dòng electron qua tải ngoài khi phóng và nạp.

Phổ thôngHoá học pin và dung lượng

Định nghĩa: Xen cài

Điện cực âm graphite thường lưu trữ lithium giữa các lớp carbon; oxide kim loại chuyển tiếp dạng lớp hoặc phosphate có thể làm điện cực dương. Điện áp hoạt động thực tế phụ thuộc chênh lệch thế hoá học của lithium, không đơn thuần do tên vật liệu.

Q=nF,Ecell=−ΔGnFQ=nF,\qquad E_{\mathrm{cell}}=-\frac{\Delta G}{nF}

Ví dụ

Lời giải

Q = F = 96485 C mol⁻¹. Vì 1 Ah = 3600 C, nên Q = 26,8 Ah mol⁻¹.

Đại họcThế điện hoá và giao diện

Điện áp hở mạch liên hệ với biến thiên năng lượng Gibbs trên mỗi điện lượng chuyển giao. Trong pin thật, thế điện cực thay đổi theo thành phần và hoạt độ; hệ thức Nernst mô tả xu hướng cân bằng. Khi có dòng, sụt áp ohmic, động học chuyển điện tích và vận chuyển khối tạo phân cực, làm giảm điện áp đầu cực.

Họ pinHạt tải / vật liệu chủThách thức riêng
Li-ion điện phân lỏngLi⁺ trong chất rắnLớp liên pha phát triển, dung môi dễ cháy
Thể rắnLi⁺ qua điện phân rắnTiếp xúc và điện trở giao diện
Li–SLi⁺ và chuyển hoá lưu huỳnhShuttle polysulfide, đổi thể tích

Nâng caoĐiện phân rắn và hoá học lithium–lưu huỳnh

Điện phân rắn cần kết hợp độ dẫn Li⁺ hữu ích với tính cách điện tử, ổn định hoá học-điện hoá và tiếp xúc tốt với điện cực xốp. Biên hạt và lớp liên pha có thể chi phối điện trở. Trong pin Li–S, chuyển hoá lưu huỳnh ở nhiều hệ lỏng tạo các trung gian polysulfide hoà tan, đem lại dung lượng lý thuyết cao nhưng gây shuttle và mất vật liệu hoạt tính.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

  • A solid future for battery development · J. Janek, W. G. Zeier, 2016
  • A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry · A. Manthiram, 2020
  • Challenges for rechargeable Li batteries · J. B. Goodenough, Y. Kim, 2010