Xu thế công nghệ mới trong sản xuất pin - ắc quy

12:00' AM - Thứ bảy, 12/04/2003

Hai mươi năm trước đây, ngành công nghiệp pin-ắcquy được coi là đã đạt mức trưởng thành. Nhưng, những ứng dụng mới đã thúc đẩy việc nghiên cứu và triển khai công nghệ mới hơn, mạnh  hơn cho ngành này

Trong những năm gần đây, những ứng dụng thực tế nguồn năng lượng điện hóa tăng lên sđột ngột, đến nỗi vào những năm1980 ngành Pin-ăcqui đã từng được coi là một ngành công nghiệp phát triển ổn định thì đến nay trở thành một ngànhf có mức tăng trưởng hàng năm rất cao và có nhiều đổi mới. Sự "hồi sinh" này là do tác động của các mặt hàng tiêu dùng vi điện tử có giá trị cao, đòi hỏi nguồn cấp điện gọn nhẹ như: các loại "thẻ thông minh",đồng hồ điện tử, máy tính, máy vi tính xách tay, camera xách tay, máy nghe nhạc CD và máy quay phim,điện thoại di động, máy nhắn tin... Đồng thời, sự phát triển mạnh của ngành máy kéo công nghiệp, nông nghiệp, thiết bị quân sự, đặc biệt là ôtô chạy điện. .. tất cả các thiết bị đóđòi hỏi nhiều nguồn năng lượng cải tiến vừa phải có công suất cao vừa phải có mật độ năng lượng cao.

Pin và ăcqui là những nguồn nănglượng điện hóa cần thiết cho các nhu cầu đó. Pin là nguồn năng lượng chỉ sử dụng được một lần sau khi chất phản ứng đã bị tiêu hao hết trong quá trình phóng điện. Còn ăcqui là nguồn năng lượng có thể tái sử dụng bằng cách nạp lại năng lượng nhờ dòng điện truyền theo chiều ngược lại với chiều phóng điện.

Trong khi số lượng các phản ứng hóa học có thể cung cấp năng lượng một cách có hiệu quả là hữu hạn thì nhu cầu năng lượng cho những ứng dụng đặc biệt lại mở rộng với các qui mô: từ 100 mWh cho một pin cúc áo dùng cho đồng hỗ điện tử, máy tính bỏ túi... đến 20 kWh cho một xe chạy điện; từ loại pin có công suất 25-100 µW cho một máyđiều hòa nhịp tim đến một ăcqui côngsuất 50 kW để dự trữ năng lượng trong quân sự. Việc đa dạng hóa trong sử dụng đòi hỏi rất nhiều tính chất điện đặc trưng, do đó cần các loại nguyên liệu, vật liệu và hoá chất riêng để tạo ra những loại pin đa dạngđó

Vài năm trước đây, chúng ta được chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp ăcqui dùng dung dịchđiện phân truyền thống và các pin mật độ năng lượng cao cộ anot liti và natri. Cũng như loại pin kẽm - cacbon hoặc kẽm - kiềm; cải tiến lớn nhất chỉ ở mức giảm bớt hoặc loại bỏ thủy ngân. Một tiến bộ mới trong lĩnh vực này là lần đầu tiên sản xuất loại pin mangan - kiềm có thể tái nạp điệnđược. Người ta cho rằng loại pin tái nạp và tương đối rẻ này rồi đây sẽ thay thế cho khoảng 10 tỷ cục pin thông thường mỗi năm trong các sản phẩm tiêu dùng. Mặt khác đã thươngmại hóa được loại pin niken - hyđruakim loại trong đó bán cực âm bằng cadmi trong pin niken - cadmi sẽđược thay thế bằng hydrô hấp thụ trong một hợp kim. Thực sự thì nhữngđiện cực bằng hydrua kim loại có mậtđộ năng lượng cao hơn và không cóvấn đề chất thải.

Có lẽ sự đổi mới quan trọng nhất sắp tới là tiến bộ rất nhanh chóng trong công nghệ pin liti. Công nghệ này đang phát triển mạnh với hơn 50công ty trên thị trường. Với hiệu suất khá cao, với các tính năng điện tuyệt vời, pin liti dùng cho những thiết bị mà giá cả không phải là mối quan tâm hàng đầu. Mộ vài nghiên cứu đangđược tiếp tục triển khai là việc cải tiến các loại pin có anot là chất rắn và các loại pin dẹt dùng cho các loại "thẻ thông minh" và các ứng dụng tương tự. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu & triển khai các ăcqui liti dùng cho ôtô chạy điện đang được coi là hoạt động quan trọng nhất trong lĩnh vực pin-ăcqui

Tiến bộ nhất có thể sẽ là ăcqui lititấm mỏng, hoàn toàn rắn, được gọi tên là "hệ thống trạng thái rắn" Ultralife (của công ty Ultralife) sắp tung ra thị trường nay mai.

PIN LITI

Liti có tỷ trọng thấp, điện dung riêng cao (3860 Ah/kg) so với kẽm (820 Ah/kg) và chì (260 Ah/kg); kết hợp với khả năng oxy hóa-khử cao, nó được dùng làm anot trong pin. Các pin có dung lượng thấp với catốt rắn cho các sản phẩm tiêu dùng hiện đang là kiểu sản phẩm tiêu thụ nhiều; nhưng các pincó dạng hình trụ 3V, "nănglượng cao", dùng MnO2 làm catot cũng đang trở thành một mặt hàng phổ biến. Loại pin liti catôt FeS2điện áp làm việc 1,5V có thể dùng thay thế trực tiếp cho pin "có nước" tiêu chuẩn. Dùng liên tục một pin cỡ AA với cực Li-FeS2 cho năng lượng nhiều gấp bốn lần pin kẽm-kiềm thông thường.

Những loại pin này đã được bán rộng trên thị trường thế giới, dùng cho camera xách tay, máy ảnh có đèn flash, đồ chơi chạy điện, rađio...

Ngoài ra, pin liti còn dùng cho thiết bị y tế cấy vào cơ thể như máy điều hòa nhịp tim. Pin này thường có anôt bằng liti chất dẫn truyền là iôt và catôt là poly-2-vinylpyridin. Ngành hàng không vũ trụ và quân sự còn sử dụng pin liti có công suất cao, catôt bằng dung dịch SO2 hoặc catôt lỏng SOCl2 và SO2Cl2 do các công ty Crompton Eternacell, Electrochem Industries, SAFT và Tadiran. Ví dụ tàu thám dò vũ trụ Galileo của NASA sử dụng 3 bộ nguồn. mỗi bộ gồm 13 pin liti SO2, sẽ bay một chuyến bay dài 6 năm để nghiên cứu bầu khí quyển sao Mộc từ tháng 12/95. Một số ăcqui lớn hơn nữa dùng cho các ngư lôi, tàu ngầm, tàu cứu hộ hoặc các tàu nghiên cứu ở sâu dưới nước.

Ý tưởng dùng dung dịch đặc gồm các chất điện phân đan xen (một lớp tẩm hóa chất xen một lớp kim loại) để chuyển hóa các đisulfua kim loại đãđược đề cập đến từ năm 1974, đến nay người ta đã tạo được dichalcogenua của một kim loại chuyển tiếp (một hợp chất gồm hai thành phần chứa chalcogen và một kim loại hoặc một gốc mang điện dương lớn hơn)có khả năng ra vào các lỗ trống mà không làm thay đổi cấu trúc của "phân tử chủ" theo phản ứng

                                                    xLi+ + MA2 + xe-® LixMA2

Từ năm 1993, các công ty A&T Battery, Japan Storage Battery Matsushita, Sanyo, Song, Toshiba, Ultralife... đã sử dụng các oxyt, CoO2,  NiO2 và MnO2 trong các pin liti này.

Nhờ vậy, có thể dùng liti kim loại làm bản âm trong các pin tái nạp.

Các công ty Mỹ, Nhật, Tây Âu còn cải tiến để dùng pin liti vào ôtô điện, trong đó thay thế chất điện phân không có nước truyền thống bằng chất điện phân polyme cho phép sản xuất các pin hoàn toàn ở trạng thái rắn.

ĂC QUY CHÌ-AXIT

Ăcqui chì-axit dựa trên bản cực âm là chì xốp và cực dương là tấm chì oxyt PbO2 cả hai tấm bản cực đều nhúng trong dung dịch axit sunfuric. Loại acqui này đã được sử dụng từ hơn một thế kỷ rưỡi với 300 triệu chiếc mỗi năm và với doanh số toàn thế giới khoảng 10 tỷ bảng Anh.

Mặc dầu đã phát triển mạnh nhưthế, mấy năm gần đây vẫn có những cải tiến thực sự. Đặc biệt  ắc quy được sử dụng ở dạng hộp, bình kín, điều chỉnh bằng van dùng làm bộ nguồn cho các ngành bưu chính viễn thông, và dự trữ năng lượng.

Ăcqui SLI hiện đang sử dụng hợp kim antimon thấp (1-2%) hoặc hợp kim chì - canxi. Người ta cố gắng cải tiến các hợp kimđể tối ưu hóa các tính năng vềđiện hóa, dễ đúc và bền. Chính vào thời kỳ này, người ta đã có một cải tiến đáng kể: dùng lá cách polyolefin có lỗ rỗng tế viđể chế tạo ăcquy SLI. Độ xốp của vật liệu này là 40-60% thể tích và đường kính lỗ xốp nhỏ hơn 0,02µm ... dùng để bao bọc các tấm ăcqui, chống lại được hiện tượng ngắn mạch. Sản lượng lá cách bằng polyetylen riêng của Mỹ đã đạt tới một trăm triệu mét vuông. Một số công ty Mỹ như Bolder Batteryvà Optima AdvancedTechnologies đang triển khai tấm điện cực bằng chì mỏng với lá cách sợi thủy tinh.

PIN KIỀM

Mặc dù giá thành cao hơn pin kẽm cacbon, song do tính năng tốt hơn, pin mangan kiềm đạt hiệu quả cao và đang xâm nhập ngày càng nhiều vào thị trường. Nhờ cải tiến vỏ bọc công suất tăng lên 25 - 40%, kèm theo việc loại bỏ hoàn toàn việc dùng thủy ngân và các kim loại nặng khác, giảm tạp chất như sắt trong chất điện phân và cho thêm chất chống ăn mòn.

Pin cúc áo kẽm + không khí dựa trên hiệu suất cao của điện cực khí sử dụng một màng xúc tác trên teflon xốp, đã được ứng dụng rộng rãi từ cuối những năm 1970, phổ biến nhất là dùng trong máy trợ thính. Gầnđây pin này được thiết kế có hình lăng trụ, dùng làm nguồn sơ cấp, có khả năng tái nạp, ứng dụng vào máy vi tính xách tay.

Pin mangan-kiềm tái nạp còn được dùng trong các sản phầm tiêu dùng. Nó có ưu điểm là không dùng kim loại nặng, có mật độ năng lượng cao nhưng tuổi thọ thấp, đặc biệt, nếu phóng điện sâu.

Nhiều nhà sản xuất đã thương mại hóa loại công nghệ pin-ăcqui tươngđối mới này để cung cấp bộ nguồn cho các camera, máy tính xách tay...

KẾT LUẬN

Vào cuối thập kỷ 90 này, pin liti thứ cấp có thể xâm nhập thị trường sản phẩm tiêu dùng, cùng với ắc qui niken-hydrua kim loại, trở thành chuẩn mực cho khu vực nạp nănglượng cao và nhanh. Pin mangan kiêm tái nạp sẽ có giá thành hạ nhất.

Các sự triển khai mới này sẽ kèm theo việc mở rộng khái niệm "ăcqui"thông minh mà IBM nêu ra, trong đó có lắp một chíp của máy vi tính chuyên dùng để bảo đảm việc quản lí năng lượng, kiểm tra và tối ưu hóa quá trình nạp.

Trong thị trường pin, pin liti sẽđược dùng hầu như một cách độc quyền cho toàn bộ các dụng cụ có dung lượng cao và giá trị cao.

Sự phát triển của hệ thống ăcquicó thể gặp phải những đòi hỏi nghiêm ngặt hơn khi dùng cho ôtôđiện và sẽ tiếp tục phát triển ở thế kỷ sau

NGÂN HÀ
Theo Chemistry & Industry

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,