Pin và Ắc quy thứ cấp

Pin lưu trữ năng lượng điện thông qua các phản ứng điện cực thuận nghịch; ắc quy thứ cấp (có thể sạc lại) có thể được sử dụng lặp lại bằng cách đảo ngược các phản ứng đó với dòng điện sạc bên ngoài.

Definition

Một thiết bị lưu trữ năng lượng trong trạng thái hóa học của các điện cực và giải phóng nó dưới dạng dòng điện thông qua phản ứng oxy hóa-khử; trong ắc quy thứ cấp, phản ứng này thuận nghịch, cho phép sạc và xả nhiều lần.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nguyên tắc hoạt động của pin: các phản ứng điện cực lưu trữ và giải phóng điện tích, sự khác biệt giữa pin sơ cấp (dùng một lần) và ắc quy thứ cấp (có thể sạc lại), kiến trúc của pin lithium-ion xen kẽ, các chỉ số hiệu suất chính như dung lượng, mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ, cũng như nguyên nhân gây suy giảm dung lượng và xuống cấp. Nó bao gồm từ các hóa chất chì-axit và niken cổ điển đến các hệ thống lithium-ion hiện đại.

Core questions

• Các phản ứng điện cực lưu trữ và giải phóng năng lượng điện như thế nào?
• Điều gì phân biệt ắc quy thứ cấp có thể sạc lại với pin sơ cấp dùng một lần?
• Hóa học xen kẽ lithium-ion đạt được mật độ năng lượng cao như thế nào?
• Những quá trình nào gây ra sự suy giảm dung lượng và giới hạn tuổi thọ chu kỳ?

Key theories

Điện hóa xen kẽ

Trong pin lithium-ion, các ion lithium thuận nghịch chèn vào và tách ra khỏi các điện cực chủ có cấu trúc lớp hoặc khung trong quá trình chu kỳ, lưu trữ điện tích mà không làm tan rã điện cực, điều này cho phép tuổi thọ chu kỳ dài và mật độ năng lượng cao.

Tính thuận nghịch và sự xuống cấp

Tuổi thọ chu kỳ phụ thuộc vào mức độ thuận nghịch của các phản ứng điện cực; các phản ứng phụ như sự phát triển của lớp giao diện điện phân rắn, sự lắng đọng lithium và sự thay đổi cấu trúc tiêu thụ vật liệu hoạt tính và chất điện phân, gây ra sự suy giảm dung lượng.

Clinical relevance

Ắc quy sạc lại cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử cầm tay, xe điện, thiết bị cấy ghép y tế và lưu trữ năng lượng lưới điện; mật độ năng lượng, độ an toàn và tuổi thọ của chúng là yếu tố trung tâm trong việc điện khí hóa và triển khai năng lượng tái tạo, thúc đẩy nghiên cứu vật liệu chuyên sâu.

History

Planté đã phát minh ra ắc quy chì-axit có thể sạc lại vào năm 1859; Whittingham đã chứng minh sự xen kẽ lithium vào những năm 1970, Goodenough đã xác định các catốt oxit coban lithium vào năm 1980, và Yoshino đã chế tạo pin lithium-ion thực tế đầu tiên, được thương mại hóa vào năm 1991 và được công nhận bởi Giải Nobel Hóa học năm 2019.

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

Tại sao ắc quy sạc lại mất dung lượng theo thời gian?

Việc sạc/xả lặp đi lặp lại thúc đẩy các phản ứng phụ chậm và thay đổi cấu trúc—chẳng hạn như sự phát triển của lớp giao diện điện phân rắn, mất lithium có thể chu kỳ và nứt điện cực—làm loại bỏ vĩnh viễn vật liệu hoạt tính và tăng điện trở bên trong.

Điều gì khiến pin lithium-ion lưu trữ nhiều năng lượng như vậy?

Lithium nhẹ và tạo ra điện áp pin cao, và các vật liệu chủ xen kẽ cho phép các ion lithium di chuyển thuận nghịch giữa các điện cực với ít sự gián đoạn cấu trúc, kết hợp điện áp cao, dung lượng cao và tuổi thọ chu kỳ dài.